IN SITU ПРОИЗВОДСТВО И ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЧЕРЕЗ ГАЗОЖИДКОСТНЫЙ МАССООБМЕН И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ Российский патент 2023 года по МПК C09C1/44 B01J10/00 B01J8/00 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

По настоящей заявке испрашивается приоритет предварительной заявки на патент США № 62/783,713, поданной 21 декабря 2018, и предварительной заявки на патент США № 62/926,283, поданной 25 октября 2019, каждая из которых включена в настоящий документ в качестве ссылки полностью.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Графен используется в широком спектре областей, включая антикоррозионное покрытие и краски, электронику, солнечные батареи, доставку лекарственных средств, батареи и водные фильтры. Однако значительной проблемой коммерциализации графена является отсутствием надежных способов массового производства для производства низкозатратного высококачественного графена. Различные способы производства графена могут быть классифицированы на подходы сверху вниз и снизу вверх. Например, обычные способы сверху вниз включают: (i) химически преобразованный графен (восстановление оксида графена), (ii) электрохимическую эксфолиацию, и (iii) жидкофазную эксфолиацию (LPE) в присутствии или отсутствии поверхностно-активных веществ. Подходы снизу вверх включают: (i) графеновые структуры, синтезированные из низкомолекулярных органических предшественников каталитическим химическим газофазным осаждением (CVD), (ii) органический синтез, и (iii) эпитаксиальное выращивание на SiC или других субстратах.

Среди этих способов химическое восстановление расслоенного оксида графена (GO) сверху вниз является, возможно, наиболее распространенной стратегией крупномасштабного производства графена. Этот способ соответствует химическому превращению графита. Процесс является очень длительным (например, примерно 5 часов), как правило, требует использования дорогих вредных химикатов, таких как серная кислота, азотная кислота, и перманганат калия, и интенсивной энергии (например, требует высоких температур в пределах от 800°C до 1050°C). Кроме того, процесс не эффективен. Сильные кислоты потребляют целых 20-50% затравочного графита. Процесс требует затяжных стадий промывания и очистки, что дает огромные количества сточных вод, которые нужно соответственно обрабатывать. Кристаллы GO требуют дальнейшего химического восстановления для сокращения содержания кислорода. Это восстановление приводит к уменьшению оксида графена (rGO). Процедура восстановления обычно включает дальнейшее использование ядохимикатов, таких как гидразин. Даже после восстановления, графен далек от того, чтобы быть нетронутым. Пост-производственные способы восстановления GO до rGO не полностью удаляют кислород, введенный процессом сильного окисления. Остающиеся кислородные группы можно считать формой химических дефектов. Кроме того, удаление кислорода, как правило, приводит к формированию физических дефектов в форме пустот и повреждения краев.

Большинство вышеупомянутых процессов не создает нетронутый (т.е. чистый) графен. Нетронутый графен является мономолекулярным слоем или небольшим количеством слоев графеновых пластинок, которые не имеют химических и физических дефектов. Оба из этих дефектов ухудшают уникальные тепловые свойства, требуемые для теплопередачи, а также электрические свойства, необходимые в микроэлектронике и для аккумулирования энергии. Типичный химическими дефектми являются функциональные группы кислорода, расположенные на поверхности или краях графеновых пластинок, что значительно уменьшает теплопроводность графена. Например, даже 5% содержание кислорода уменьшит теплопроводность графена на 95% (например, см., Xin Mu et al., Sci. Reports, 4: 3909; DOI: 10.1038/srep03909). Химические дефекты также уменьшают электропроводность графена. GO с не более 35% кислорода действует как изолятор, а не проводник. Физические дефекты включают отверстия и пустоты на плоскости и краях графеновых пластинок. Эти отверстия и пустоты, препятствующие свободному течению тепла и электронов через плоскость графена. Физические дефекты часто создаются в процессе получения или в процессе удаления кислорода.

Другая основная проблема, связанная с работой с графеном, состоит в том, что очень трудно создать стабильные графеновые дисперсии. Графен является твердым веществом, которое нерастворимо в растворителе, поэтому графен используют в порошкообразной форме или в виде дисперсии. Существует много проблем, связанных с попыткой создать дисперсии, содержащие графен, включая многостадийные процессы с увеличенными отходами и затратами. См., например, Liang et al., Coatings, 2018, 8, 33; Dong et al., Nature Communications, January 8, 2018, 9, article number 76; и Johnson, Current Opinion in Colloid & Interface Science, 2015, 20(5-6), 367-382.

Таким образом, существует потребность в способах, обращающихся к этим и другим проблемам, связанным с созданием графена и других углеродных материалов. В настоящем документе представлены такие способы получения углеродных материалов, а также способы функционализации материалов, которые могут дать графен, включая чистый графен, и могут быть масштабируемым, кратковременными и уменьшать производственные затраты по сравнению с обычными подходами.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к способам получения твердых углеродных материалов и функционализации материалов, таких как твердые углеродные материалы, в частности, графен. Эти способы включают получение твердых углеродных материалов в жидкости in situ, с получением дисперсии твердого углеродного материала, которые в некоторых вариантах осуществления считают стабильными дисперсиями. Изобретение также относится к использованию и областям применения углеродного материала(ов).

Описанные в настоящем документе способы получения твердого углеродного материала, где способ включает доставку жидкости, содержащей, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение, в зону реакции реактора; доставку газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение в зону реакции реактора; и индуцирование химической реакции, по меньшей мере, между одним жидким органическим соединением и, по меньшей мере, одним газообразным органическим соединением, где: химическая реакция происходит в зоне реакции реактора; твердый углеродный материал получают реакцией; твердый углеродный материал получают во время реакции в форме дисперсии, содержащей твердый углеродный материал, диспергированный в жидкости; и химическая реакция является гомогенной реакцией, включающей гомогенную нуклеацию твердого углеродного материала в зоне реакции реактора. Предпочтительно, химическая реакция включает газожидкостный массообмен. Предпочтительно, но не обязательно, композиция газа отличается от композиции жидкости. Предпочтительно, но не обязательно, композиция, по меньшей мере, одного газообразного соединения отличается от композиции, по меньшей мере, одного жидкого органического соединения. Необязательно, химическая реакция не происходит на или при катализаторе. Предпочтительно, но не обязательно, способ не включает гетерогенную нуклеацию твердого углеродного материала на твердой подложке. Необязательно, стадия доставки жидкости выполняется через первый входной поток в зону реакции, и стадия доставки газа выполняется через второй входной поток в зону реакции; где пути первого потока и второго входного потока отличаются и являются физически отдельными. Необязательно, стадия доставки жидкости и стадия доставки газа выполняется одновременно. Необязательно, стадия доставки газа выполняется после того, как жидкость доставляется в зону реакции. Предпочтительно, твердый углеродный материал остается диспергированным в жидкости во время присутствия в зоне реакции. Предпочтительно, но не обязательно, жидкость по существу не содержит твердый углеродный материал во время стадии доставки жидкости и до стадий доставки газа и индуцирования химической реакции. Предпочтительно, но не обязательно, жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидной, суспензией или золем во время стадии доставки жидкости и до стадий доставки газа и индуцирования химической реакции. Предпочтительно, но не обязательно, твердый углеродный материал формируется только в зоне реакции реактора. Необязательно, твердый углеродный материал не получается, если способ выполняется без стадии доставки газа при в остальном эквивалентных стадиях и условиях. Предпочтительно, но не обязательно, доставка газа включает захватывание газа, впрыскивание газа или их комбинацию. Необязательно, газ захватывается жидкостью под давлением, газ впрыскивается в жидкость, или газ барботируется в жидкость или проводится комбинация этих методов. Предпочтительно, газ доставляется непосредственно в зону реакции во время стадии доставки газа. Предпочтительно, но не обязательно, стадии доставки газа и индуцирования химической реакции выполняются одновременно или практически одновременно (например, в течение 5 минут, в течение 4 минут, в течение 2 минут, в течение 1 минуты, в течение 30 секунд, в течение 15 секунд, в течение 10 секунд, в течение 5 секунд, или в течение 1 секунды). Предпочтительно, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение и, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение одновременно (например, в течение 5 минут, в течение 4 минут, в течение 2 минут, в течение 1 минуты, в течение 30 секунд, в течение 15 секунд, в течение 10 секунд, в течение 5 секунд, или в течение 1 секунды) присутствуют в зоне реакции. Необязательно, стадия индуцирования химической реакции включает кавитацию в жидкости и/или индуцирование силы сдвига. Реактор должен быть таким, который может вызвать кавитацию, сдвиг, высокое давление, высокие температуры и/или смешивание, таким как кавитационный реактор, реактор со сдвигом или реактор с механическим перемешиванием. В некоторых вариантах осуществления, реактор является реактором с механическим перемешиванием, содержащим мешалку, где мешалка вызывает силу сдвига в жидкости.

В настоящем документе описаны способы получения твердого углеродного материала, где способ включает: доставку жидкости, содержащей, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение в кавитационный реактор; формирование кавитационных пузырей в жидкости в зоне кавитации кавитационного реактора; и доставку газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение, в кавитационную зону кавитационного реактора; таким образом, получая углеродный материал в форме дисперсии, содержащей углеродный материал, диспергированный в жидкости. Необязательно, реактором является гидродинамический кавитационный реактор, реактор со сдвигом, ультразвуковой кавитационный реактор или многофункциональный реактор. Необязательно, кавитационный реактор включает гидродинамическую кавитационную или ультразвуковую кавитацию. Необязательно, реактор включает реактор типа ротор-статор, батарейный реактор со сдвигом, высокоскоростной реактор со сдвигом (например, Charles Ross HSM-700), гидродинамический кавитационный реактор, ситчатый реактор, вращающийся реактор с уплотненным слоем, вращающийся дисковый реактор, реактор со сталкивающимися струями, суперзвуковой реактор типа газ-твердое тело, ультразвуковой реактор, реактор с ультразвуковым зондом, реактор с мешалкой, обеспечивающей сдвиг, микроволновый реактор, реактор с ударной волной (например, SHOCKWAVE POWER™ Reactor (SPR); Hydro Dynamics, Inc., Rome, GA), или их комбинация. В варианте осуществления, обработку ультразвуком используют, чтобы вызвать или индуцировать кавитацию в жидкости. Необязательно, доставка газа включает захват газа, впрыск газа или их комбинацию. Необязательно, газ захватывается жидкостью. Газ может быть захвачен жидкостью с применением любого подходящего давления, позволяющего газожидкостный массообмен в условиях работы реактора (например, 2-150 ф./кв.д., 10-100 ф./кв.д.). Необязательно, газ впрыскивается в жидкость. Необязательно, газ барботируется в жидкость. Необязательно, газ доставляется непосредственно в зону кавитации во время стадии доставки газа. Например, газ доставляется непосредственно в зону кавитации в местоположении нуклеации кавитационных пузырей. Необязательно, стадии формирования кавитационных пузырей и доставки газа выполняются одновременно или почти одновременно (например, в течение 5 минут, в течение 4 минут, в течение 2 минут, в течение 1 минуты, в течение 30 секунд, в течение 15 секунд, в течение 10 секунд, в течение 5 секунд, или в течение 1 секунды). Необязательно, во время стадии доставки газа, газ доставляют непосредственно в или в пределах 1 мм от зоны нуклеации кавитационных пузырей, где зона нуклеации кавитационных пузырей соответствует нуклеации кавитационных пузырей в гидродинамической кавитационной реакции во время стадии формирования. Необязательно, стадия формирования включает формирование кавитационного облака, содержащего кавитационные пузыри в зоне кавитации реактора, где газ доставляется непосредственно вовнутрь или в 1 мм от кавитационного облака. Необязательно, дисперсия формируется в зоне кавитации реактора. Необязательно, стадия формирования, включает формирование кавитационного облака, содержащего кавитационные пузыри; где углеродный материал сформирован в кавитационном облаке. Необязательно, жидкость по существу не содержит углеродный материал во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей. Необязательно, жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей. Предпочтительно, получение углеродного материала включает нуклеацию углеродного материала в жидкости. Предпочтительно, получение углеродного материала включает нуклеацию углеродного материала в жидкости и выращивание углеродного материала в жидкости.

В одном аспекте, в настоящем документе представлен способ функционализации материала, диспергированного в жидкости, где материал, диспергированный в жидкости, является первой дисперсией, где способ, включает стадии: доставки первой дисперсии в кавитационный реактор; где жидкость содержит, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение; формирование кавитационных пузырей в жидкости в зоне кавитации гидродинамического кавитационного реактора; и доставки газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение, непосредственно в зону кавитации кавитационного реактора; таким образом, функционализируя материал для формирования второй дисперсии, где вторая дисперсия содержит функционализированный материал, диспергированный в жидкости. В некоторых вариантах осуществления, функционализация материала включает химическую, физическую или и химическую и физическую функционализацию материала. В некоторых вариантах осуществления, материалом является углеродный материал, включающий графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы или другой углеродный аллотроп, гексагональный нитрид бора или любую их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления, функционализированный материал включает оксид графена. В некоторых вариантах осуществления, функционализация включает добавление атомов кислорода к материалу, удаление атомов кислорода из материала, добавление атомов азота к материалу, добавление атомов серы к материалу или их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления, газ включает кислород, водяной пар, водород, азот, диоксид серы, CO₂, озон или любую их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления, газ доставляют непосредственно в зону кавитации во время стадии доставки газа. В некоторых вариантах осуществления, стадии формирования кавитационных пузырей и доставки газа выполняют одновременно или почти одновременно (например, в течение 5 минут, в течение 4 минут, в течение 2 минут, в течение 1 минуты, в течение 30 секунд, в течение 15 секунд, в течение 10 секунд, в течение 5 секунд, или в течение 1 секунды). В некоторых вариантах осуществления, стадия формирования кавитационных пузырей включает нуклеацию кавитационных пузырей. В некоторых вариантах осуществления, во время стадии доставки газа, газ доставляют непосредственно в или в 1 мм от зоны нуклеации кавитационных пузырей, где зона нуклеации кавитационных пузырей соответствует нуклеации кавитационных пузырей в гидродинамической кавитационной реакции во время стадии формирования. В некоторых вариантах осуществления, стадия формирования включает формирование кавитационного облака, содержащего кавитационные пузыри в зоне кавитации реактора, где газ доставляют непосредственно вовнутрь или в 1 мм от кавитационного облака. В некоторых вариантах осуществления, способ функционализации материала включает заканчивающуюся доставку газа и сохранение дисперсии в зоне кавитации, в то время как газ не доставляют в зону кавитации. В некоторых вариантах осуществления, во время стадии сохранения дисперсии в зоне кавитации и после стадии завершения, и в то время как газ не доставляют в зону кавитации, способ функционализации далее, включает стадию дегазации дисперсии для уменьшения концентрации газа, захваченного в ней.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

ФИГ. 1 иллюстрирует типовой гидродинамический кавитационный реактор или его часть, согласно определенным вариантам осуществления изобретения.

ФИГ. 2 показывает график напряжения к тока необработанного графена, восстановленного графена, и восстановленного графена, обработанного ацетиленом в варианте осуществления изобретения.

ФИГ. 3 показывает изображение сканирующей электронной микроскопии (SEM) графеноподобных пластинок, полученных в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

ФИГ. 4 показывает график энергии (keV) к интенсивности с применением данных рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии (EDS), измеренных для двух порций пластинок, показанных на ФИГ. 3 (наложение спектра 5 и спектра 6).

ФИГ. 5A и ФИГ. 5B показывают дополнительные изображения SEM типовых графеноподобных пластинок, полученных в вариантах осуществления способов, описанных в настоящем документе.

ФИГ. 6A-6B: ФИГ. 6A показывает изображение SEM графеноподобных пластинок микронного размера с квадратами (маркированными как «1» и «2»), идентифицирующими области, соответствующие спектрам EDS, показанным на ФИГ. 6B (квадрат 1 соответствует «Спектру 1» и квадрат 2 соответствует «Спектру 2»). ФИГ. 6B показывает спектры EDS атомных концентраций элементов, рассчитанных из спектров EDS, в углеродном материале в областях, определенных на ФИГ. 6А.

ФИГ. 7A-7B: ФИГ. 7A показывает изображение SEM графеноподобных пластинок микронного размера с квадратами (маркированный как «5» и «6»), идентифицирующими области, соответствующие спектрам EDS, показанным на ФИГ. 7B (квадрат 5 соответствует «Спектру 5» и квадрат 6 соответствует «Спектру 6»). ФИГ. 7B показывает спектры EDS и таблицу, суммирующую атомные концентрации элементов, вычисленных из спектров EDS, в углеродном материале в областях, определенных на ФИГ. 7А.

ФИГ. 8A-8B показывают изображения SEM углеродного материала согласно Примеру 4B.

ФИГ. 9A-9B показывают данные интенсивности светорассеяния для углеродного материала согласно Примеру 5А.

ФИГ. 10A-10B показывают количественный гранулометрический состав для углеродного материала согласно Примеру 5А.

ФИГ. 11A-11B показывают данные подвижности для определения Дзета-потенциала, для дисперсии углеродного материала согласно Примеру 5А.

ФИГ. 12A-12B показывают изображения SEM и данные EDS, соответствующие углеродному материалу согласно Примеру 5B.

ФИГ. 13A-13B показывают изображение SEM и данные EDS, соответствующие углеродному материалу согласно Примеру 10.

ФИГ. 14 показывает график Коэффициента Трения ко Времени для необработанного машинного масла Syn 530 (верх) и обработанного машинного масла (низ) Syn 530, где «обработанное» относится к способу получения углеродных материалов, описанных в настоящем документе, согласно определенным вариантам осуществления. Данные демонстрируют, что уменьшенный след износа и коэффициент трения от присутствия нанокристаллического углеродного материала, сформированного во время кавитации в машинном масле Syn 530, включающем захваченный газообразный пропан с применением высокого сдвига, согласно вариантам осуществления, описанным в настоящем документе.

ФИГ. 15 показывает график коэффициента Трения ко Времени для необработанного масла AMSOIL™ (верх) и обработанного масла AMSOIL™ (низ), где «обработанное» относится к способу получения углеродных материалов, описанных в настоящем документе, согласно определенным вариантам осуществления. Данные демонстрируют уменьшенный след износа и коэффициент трения от присутствия нанокристаллического углеродного материала, сформированного во время кавитации в машинном масле AMSOIL™, включающей захваченный газообразный пропан, с применением высокого сдвига, согласно вариантам осуществления, описанным в настоящем документе.

ФИГ. 16 показывает график Коэффициента Трения ко Времени для необработанного масла MOBILE 1™ (верх) и обработанного масла MOBILE 1™ (низ), где «обработанное» относится к способу получения углеродных материалов, описанных в настоящем документе, согласно определенным вариантам осуществления. Данные демонстрируют уменьшенный след износа и коэффициент трения от присутствия нанокристаллического углеродного материала, сформированного во время кавитации в машинном масле MOBILE 1™, включающей захваченный газообразный пропан, с применением высокого сдвига, согласно вариантам осуществления, описанным в настоящем документе.

ФИГ. 17A-17B показывают данные подвижности для определения Дзета-потенциала для дисперсии углеродного материала согласно Примеру 11А.

ФИГ. 18 показывает схему типового батарейного реактора со сдвигом.

ФИГ. 19 показывает схему типового высокоскоростного реактора со сдвигом.

ФИГ. 20 показывает схему типового многофункционального реактора.

ФИГ. 21 показывает схему типового кавитационного реактора обработки ультразвуком (например, реактора с ультразвуковым зондом).

ФИГ. 22 показывает диаграмму K_общий к оборотам мешалки из книги, «Scaling Chemical Processes, Practical Guides in Chemical Engineering» by Jonathan Wostell, 2016.

ФИГ. 23 показывает типовой реактор с механическим перемешиванием, согласно определенным вариантам осуществления.

ФИГ. 24 показывает иллюстрации, соответствующие лопастной мешалке для индуцирования газа для реактора с механическим перемешиванием.

ФИГ. 25 показывает SEM, демонстрирующий имеющий мало слоев графеноподобный материал, произведенный в высокотемпературном реакторе высокого давления с перемешиванием путем впрыска газообразного пропана в жидкий толуол в течение 30 минут при давлении 80 ф./кв.д. и температуре 60°C.

ФИГ. 26 показывает EDS атомных долей элементов в оксиде графена.

ФИГ. 27 показывает EDS атомных долей элементов в восстановленном оксиде графена (восстановленный оксид графена с ФИГ. 26).

ФИГ. 28 показывает EDS атомных долей элементов в чистом графене.

ФИГ. 29 показывает EDS атомных долей элементов в частично окисленном (с окисленным краем) графене (окисленный графен с ФИГ. 28).

ФИГ. 30 иллюстрирует данные, показывающие то, что если диспергированный в воде графен с окисленным краем добавляется к водной части Master Chemical 685, происходит 26% восстановление крутящего момента, требуемого для формирования нитей в стали.

ФИГ. 31 показывает данные Дзета-потенциала для катионного графена, полученного согласно определенным вариантам осуществления, описанным в настоящем документе.

ЗАЯВЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ И НОМЕНКЛАТУРЫ

В целом термины и фразы, используемые в настоящем документе, имеют обычное в данной области техники значение, которое может быть найдено по ссылке в стандартных текстах, ссылках в журнале и из контекстов, известных специалистам в данной области техники. Следующие определения предоставлены для разъяснения их конкретного использования в контексте изобретения.

Не желая быть связанным какой-то конкретной теорией, в настоящем документе может быть обсуждение представлений или понимания основных принципов, касающихся устройств и способов, описанных в настоящем документе. Признано, что независимо от окончательной правильности любого механистического объяснения или гипотезы, вариант осуществления изобретения может, тем не менее, быть рабочим и полезным.

Как используется в настоящем документе, термин «органическое соединение» относится к химическим вилам, охарактеризованным химической формулой, имеющей, по меньшей мере, один атом углерода (C). Например, метан (CH₄) является газообразным органическим соединением. Например, этанол является жидким органическим соединением. Термин «жидкое органическое соединение» относится к органическому соединению, которое является по существу жидким в условиях способа, в котором оно используется (например, его температура кипения больше, чем объемная температура жидкости во время выполняемого способа). Термин «газообразное органическое соединение» относится к органическому соединению, которое является по существу газообразным в условиях способа, в котором оно используется (например, его температура кипения меньше, чем объемная температура газа во время выполняемого способа).

Термин «кавитация» относится к формированию паровых пустот или «кавитационных пузырей» в жидкости в результате изменения давления (обычно быстрого изменения давления) показанного или переданного на жидкость. Например, жидкость, подвергшаяся внезапному расширению, такая как жидкость, выходящая из маленького отверстия и входящая в больший объем, может испытать внезапный спад давления, достаточный, чтобы привести к формированию кавитационных пузырей. Кавитация может быть вызвана одной или комбинацией сил или источников энергии, включая, но не ограничиваясь ими, изменение давления из-за объемного расширения, обработку ультразвуком (также упомянутую в настоящем документе как обработка звуком). Даже при том, что кавитация может произойти в реакторе с высоким сдвигом, особенно с впрыскиванием газа, главная реакция, вероятно, происходит в результате сдвига. Гидродинамическая кавитация включает кавитацию, индуцированную или вызванную изменением давления, переданным или испытываемым жидкостью, например, из-за изменения объема, например, из-за прохождения жидкости в, через, и из отверстия. Ультразвуковая кавитация (также упомянутая в настоящем документе как звуковая кавитация или ультразвуковая кавитация) относится к кавитации, индуцированной или вызванной обработкой ультразвуком, переданной на или испытываемой жидкостью. Формирование кавитационного пузыря включает первую нуклеацию кавитационного пузыря. Кавитация может быть связана с формированием множества кавитационных пузырей, так, что сумма кавитационных пузырей, существующих в любой момент, формирует «кавитационное облако». Кавитационное облако соответствует зоне жидкости, включающей кавитационные пузыри, которая, в некоторых вариантах осуществления, включает любую зону или местоположение, где нуклеирует кавитационный пузырь.

Как используется в настоящем документе, термин «кавитационный реактор» относится к реактору, индуцирующему или вызывающему кавитацию в жидкости. Предпочтительно, но не обязательно, кавитационный реактор является гидродинамическим кавитационным реактором, ультразвуковым кавитационным реактором или многофункциональным кавитационным реактором.

«Гидродинамическим кавитационным реактором» является реактор, сконфигурированный так, чтобы индуцировать или вызвать гидродинамическую кавитацию в жидкости. Предпочтительно, гидродинамический кавитационный реактор является системой, включающей одну или несколько зон индуцирования кавитации (формирования кавитационных пузырей) в жидкости. Гидродинамический кавитационный реактор обычно включает предкавитационную зону и зону кавитации. В некоторых вариантах осуществления гидродинамический кавитационный реактор включает, по меньшей мере, одно отверстие (например, просвет, зазор, канал, вырез, перфорацию) таким образом, что жидкость течет из зоны предкавитации, через отверстие, в зону кавитации. Гидродинамические кавитационные реакторы, применяемые в способах, описанных в настоящем документе, могут включать множество конфигураций и зон/оборудования для формирования кавитационных пузырей, включая, но не ограничиваясь ими, отверстия, форсунки, трубки Вентури, роторы и любые их комбинации или другие признаки, известные в данной области техники.

«Реактор со сдвигом», реактор, сконфигурированный так, чтобы индуцировать или вызвать сдвиг в жидкости. ФИГ. 18 показывает, что типовой батарейный реактор со сдвигом (реактор со сдвигом), такой как устройство FM Fuko Bench с высоким сдвигом. ФИГ. 19 показывает смеситель со сдвигом, такой как Charles Ross HSM-700 встроенный высокоскоростной реактор со сдвигом типа ротор-статор, который также способен индуцировать кавитацию, когда впрыскивается газ.

«Ультразвуковой кавитационный реактор» является реактором, сконфигурированным так, чтобы индуцировать или вызвать ультразвуковую кавитацию в жидкости.

«Многофункциональный реактор» является реактором, включающим множество реакторов или множество различных механизмов/процессов для индуцирования химической реакции, через которую получают твердый углеродный материал. Многофункциональный реактор может быть многофункциональным кавитационным реактором, включающим множество кавитационных реакторов, или кавитационным реактором, индуцирующим или вызывающим кавитацию в жидкости через множество типов кавитации (или, энергий или сил, индуцирующих или вызывающих кавитацию). Например, многофункциональный реактор может включать множество механизмов для индуцирования или вызова кавитации в жидкости. Например, многофункциональный реактор может быть сконфигурирован так, чтобы индуцировать или вызвать, по меньшей мере, две из гидродинамической кавитации, ультразвуковой кавитации, и сдвига в жидкости. ФИГ. 20 показывает схему многофункционального кавитационного реактора, включающего гидродинамический кавитационный реактор и реактор со сдвигом. Согласно определенным вариантам осуществления, многофункциональный кавитационный реактор включает два реактора, соединенные последовательно, как показано на ФИГ. 20. Первый реактор, такой как гидродинамический кавитационный реактор с подачей газа, может создавать твердый углеродный материал, такой как графеноподобные материалы, например, при спаде давления в жидкости при прохождении через одно или несколько отверстий, и впрыске газа около точки(ек) нуклеации кавитационного пузыря(ей). Согласно определенным вариантам осуществления, жидкость (теперь наполненная углеродным материалом) затем пропускают через второй реактор, такой как реактор с высоким сдвигом, где графеноподобный материал, например, может быть сдвинут в кристаллические частицы. Согласно определенным вариантам осуществления, никакой газ не впрыскивается во втором реакторе, таком как реактор с высоким сдвигом.

Как используется в настоящем документе, термин «in situ» (или «in-situ») в отношении твердого углеродного материала или процесса получения твердого углеродного материала, такого как in situ сформированный углеродный материал или in situ углеродный материал или in situ процесс получения твердого углеродного материала, относится к углеродному материалу или процессу получения твердого углеродного материала, где углеродный материал получен указанным процессом и не является иначе входом в процесс. Процесс получения углеродного материала может быть способом по любому варианту осуществления, описанному в настоящем документе, и углеродный материал может быть углеродным материалом(ами) по любому варианту осуществления, описанному в настоящем документе. Например, жидкость, представленная на входе в in situ процесс, не содержит углеродный материал, и твердый углеродный материал получают в жидкости во время in situ процесса, в этом случае полученный углеродный материал может называться in situ углеродный материал. Например, в in situ процессе получения твердого углеродного материала, жидкость по существу не содержит углеродный материал во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей в упомянутой жидкости во время in situ процесса. Например, жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем во время стадии доставки жидкости в процесс и до формирования кавитационных пузырей. Как описано в другом месте в настоящем документе, in situ углеродный материал может быть получен в зоне реакции реактора, такого как зона кавитации или кавитационное облако, кавитационного реактора во время способа получения углеродного материала.

Как используется в настоящем документе, термин «хорошо диспергированный» может относится к макрочастице(ам) в жидкости, которые устойчиво диспергированы с минимальным или отсутствием агломерации и/или выпадения в осадок из жидкости. Предпочтительно, но не обязательно, хорошо диспергированные частицы характеризуются Дзета-потенциалом более чем +40 мВ или менее чем-40 мВ.

Термин «дисперсия» относится к смеси частиц, таких как частицы одного или нескольких твердых углеродных материалов, диспергированных и/или суспендированных в жидкости, которая может упоминаться как растворитель. Коллоидная смесь является типовой дисперсией. Предпочтительно, но не обязательно, дисперсия является гомогенной смесью. В контексте дисперсии термин «гомогенная» относится к жидкой смеси, кажущейся однородной невооруженным глазом. Наоборот, гетерогенная жидкая смесь включает частицы, которые выпадают в осадок из или суспендированы в жидкой смеси и достаточно большие, чтобы отчетливо идентифицироваться невооруженным глазом в жидкой смеси. Гетерогенная жидкая смесь включает, например, осажденные и/или оседающие частицы. Предпочтительно, но не обязательно, термин «дисперсия» широко предназначается для включения растворов и дисперсии, такой как коллоиды, которые не являются гетерогенными жидкими смесями. Предпочтительно, но не обязательно, дисперсия является микроскопически гомогенной или однородной смесью частиц в жидкости, такой как растворитель. Предпочтительно, но не обязательно, дисперсия термодинамически благоприятна, чтобы остаться стабильно диспергированной или термодинамически благоприятной для разделения осаждением, но где осаждение кинетически замедлено или предотвращено. Частицы, дисперсии, которые характеризуются, как стабильно диспергированные, остаются диспергированными в дисперсии и не выпадают в осадок или осаждаются из жидкости дисперсии в течение, по меньшей мере, 5 часов, предпочтительно, по меньшей мере, 12 часов, предпочтительно, по меньшей мере, 24 часов и более предпочтительно, по меньшей мере, 1 недели, при обычной температуре и давлении (NTP) и под воздействием воздуха.

Как используется в настоящем документе, термин «углеродный материал» относится к твердому углеродному материалу. Термин «углеродный материал» или «твердый углеродный материал», как используется в настоящем документе, не относится к жидкому органическому соединению (такому как жидкое органическое соединение жидкости, доставляемой в реактор), и не относится к газообразному органическому соединению (такому как газообразное органическое соединение газа, доставляемого в реактор). Типовые углеродные материалы включают, но не ограничиваются ими, графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные нанотрубки, углеродный луковицы, другие углеродные аллотропы, композит, содержащий графен, катионный графен, и любые их комбинации.

Термин «одновременный» относится к одному и тому же времени в пределах обнаружения. Термин «почти одновременно» включает в течение 5 минут, в течение 4 минут, в течение 2 минут, предпочтительно в течение 1 минуты, более предпочтительно, в течение 30 секунд, предпочтительно, в некоторых вариантах осуществления, в течение 15 секунд, предпочтительно, в некоторых вариантах осуществления, в течение 10 секунд, предпочтительно, в некоторых вариантах осуществления, в течение 5 секунд, или более предпочтительно, в некоторых вариантах осуществления, в течение 1 секунды.

Газ, захваченный в жидкости, является, например, газом, растворенным в жидкости. Впрыскиваемый газ является, например, впрыскиваемым газом, например, через разность давлений, в жидкость, таким образом, что газ вводится в или другим образом существует в жидкости (например, в начале формирования пузыря). Барботирование газа в жидкость является примером впрыскивания газа в жидкость.

Термин «объемная температура» относится к средней температуре существенной доли жидкости или материала. Например, объемная температура жидкости может быть примерно комнатной температурой, даже при том, что жидкость может содержать местные вариации в температуре, например, при in situ формировании кавитационного пузыря и коллапса, где местная температура может превысить объемную температуру. Например, местная температура жидкости может соответствовать температуре жидкости в масштабе 1 нм³ или меньше, 10 мкм³ или меньше, 100 мкм³ или меньше, или 1 мм³ или меньше. Например, местная температура жидкости может соответствовать температуре жидкости в масштабе, большем, чем 1 мм³.

Как используется в настоящем документе, термин «полимер» относится к молекуле, состоявшей из повторяющихся структурных единиц, связанных ковалентными химическими связями, часто характеризуемыми значительным числом повторяющихся единиц (например, равным или больше, чем 3 повторяющихся единицы, необязательно, в некоторых вариантах осуществления, равным или больше, чем 10 повторяющихся единиц, в некоторых вариантах осуществления, больше, чем или равным 30 повторяющихся единиц) и высокой среднечисловой молекулярной массой (например, больше, чем 1000 дальтонов, больше, чем или равной 10000 дальтонов, в некоторых вариантах осуществления, больше, чем или равной 50000 дальтонов или больше, чем или равной 100000 дальтонов). Полимеры обычно являются продуктом полимеризации одного или нескольких предшественников мономера. Термин полимер включает гомополимеры, т.е. полимеры, состоящие по существу из единственной повторяющейся субъединицы мономера. Термин полимер также включает сополимеры, сформированные, когда два или больше различных типов мономеров соединены в одном полимере. Сополимеры могут содержать две или несколько подъединиц мономера и иметь произвольную, блочную, щеточную, блочно-щеточную, чередующуюся, сегментированную, привитую, веретенообразную и другую архитектуру. Полезные полимеры включают органические полимеры или неорганические полимеры, которые могут быть в аморфных, полуаморфных, кристаллических или полукристаллических состояниях. Боковые цепи полимера, способные к поперечному сшиванию полимеров (например, физическому поперечному сшиванию), могут быть полезны для некоторых областей. Полезные сополимеры включают блок-сополимеры и/или привитые сополимеры. Типовые полимеры включают, но не ограничиваются ими, те, которые имеют повторяющиеся единицы, имеющие одну или несколько незамещенных или замещенных полиизоцианатных групп, полиметакрилатных групп, полиакрилатных групп, полметакриламидных групп, полиакриламидных групп, полихиноксалиновых групп, полигуанидиновых групп, полисилановых групп, полиацетиленовых групп, полиаминокислотных групп, полипептидных групп, полихлораловых групп, полилактидных групп, полистирольных групп, полиакрилатных групп, поли-трет-бутилакрилатных групп, полиметилметакрилатных групп, полисилоксановых групп, полидиметилсилоксановых групп, поли-н-бутилакрилатных групп, полиэтиленгликолевых групп, полиэтиленоксидных групп, полиэтиленовых групп, полипропиленовых групп, политетрафлюороэтиленовых групп, поливинилхлоридных групп и любой их комбинации.

Как используется в настоящем документе, термин «группа» относится к функциональной группе химического соединения. Группы данных соединений относятся к атому или коллекции атомов, которые являются частью соединения. Группы настоящего изобретения могут быть присоединены к другим атомам комплекса через одну или несколько ковалентных связей. Группы могут также быть охарактеризованы относительно их валентности. Настоящее изобретение включает группы, характеризуемые одновалентной, двухвалентной, трехвалентной и т.д. валентностью.

«Олигомер» относится к молекуле, состоявшей из повторения структурных единиц, связанных ковалентными химическими связями, часто характеризуемыми количеством повторяющихся единиц, меньшим, чем таковое для полимера (например, равным или меньше чем 3 повторяющихся единицы) и более низкой среднечисловой молекулярной массой (например, меньше чем или равной 1000 дальтонов), чем полимеры. Олигомеры могут быть продуктом полимеризации одного или нескольких предшественников мономера.

Термин «форполимер» или «форполимер» относится к мономеру или смеси, включающей один или несколько мономеров, где мономер(ы) реагируют до промежуточного состояния молекулярной массы. Форполимер способен к дальнейшей полимеризации до полностью отвержденному более высокому состоянию молекулярной массы. В некоторых вариантах осуществления, термины форполимер и мономер используются взаимозаменяемо.

Если не указано иное, термин «молекулярная масса» относится к средней молекулярной массе. Если не указано иное, термин «средняя молекулярная масса», относится к среднечисловой молекулярной массе. Среднечисловая молекулярная масса определяется как общая масса объема образца, разделенная на количество молекул в образце. Как обычно и известно в данной области техники, среднепиковая молекулярная масса и средневесовая молекулярная масса могут также использоваться для характеристики молекулярной массы распределения полимеров в образце.

Термин «средневесовая молекулярная масса» (M_w) относится к средней молекулярной массе, определенной как сумма произведений молекулярной массы каждой молекулы полимера (M_i) умноженная на его массовую долю (w_i): M_w=Σw_iM_i. Как обычно и известно в данной области техники, среднепиковая молекулярная масса и среднечисловая молекулярная масса может также использоваться для характеристики молекулярной массы распределения полимеров в образце.

Термин «по существу» относится к свойству или условию, которое на 20%, на 10%, на 5%, на 1% или эквивалентно эталонному свойству или условию. Термин «по существу равный», «по существу эквивалентный» или «по существу неизменный» при использовании вместе с эталонным значением, описывающим свойство или условие, относится к свойству или условию, которое на 20%, на 10%, на 5%, на 1%, на 0,1% или необязательно эквивалентна представленному эталонному значению или условию. Например, концентрация по существу равна 1% масс., если значение концентрации на 20%, на 10%, на 5%, на 1% или равно 1% масс. Например, по существу весь материал или жидкость находится в конкретной области, если, по меньшей мере, 80% (например, объема, молей или массы), по меньшей мере, 90%, по меньшей мере, 95%, по меньшей мере, 95% или 100% материала или жидкости находится в конкретной области. Термин «по существу больший» при использовании вместе с эталонным значением или условием, описывающим свойство или условие, относится к значению, которое, по меньшей мере, на 2%, по меньшей мере, на 5%, по меньшей мере, на 10% или, по меньшей мере, на 20% больше, чем представленное эталонное значение или условие. Термин «по существу меньше» при использовании вместе с эталонным значением или условием, описывающим свойство или условие, относится к значению или условию, которое, по меньшей мере, на 2%, по меньшей мере, на 5%, по меньшей мере, на 10% или, по меньшей мере, на 20% меньше, чем представленное эталонное значение. Например, концентрация по существу меньше чем 1% масс., если значение концентрации, по меньшей мере, на 20% меньше, чем, по меньшей мере, на 10% меньше, чем, по меньшей мере, на 5% меньше, чем или, по меньшей мере, на 1% меньше чем 1% масс.

Термин «графеноподобный материал» относится к материалу на основе твердого углерода, полученному способом по изобретению, который может быть обработан так, чтобы быть физически сродни чистому графену. Чистый графен включает меньше 1% кислорода и имеет немного слоев (например, 1-2 слоя). Размер пластинок чистого графена, как правило, варьируется от 1 до 5 микронов. Полученный in situ углеродный материал, как описано в настоящем документе, и полученный в углеводородном растворителе при гидродинамических условиях, состоит из многослойных пластинок (больше чем 2 слоя, например, 5-15 слоев, 6-13 слоев, 7-12 слоев, 8-11 слоев) с размерами пластинки, варьирующихся от примерно 1 до 50 микронов (например, 2-25 мкм, 3-15 мкм или 5-10 мкм). При получении с безводным углеводородным растворителем (например, толуолом), полученный графеноподобный материал будет иметь меньше чем 1% кислорода. Кроме того, графеноподобный материал, полученный способом по изобретению, легко расслаивается в жидкости на несколько слоев графена. Он более легко расслаивается в жидкости, чем графит, потому что, не будучи привязанным ни к какой теории, считается, что, так как объемный графеноподобный материал образуется in situ, объемные графеновые листы могут быть скреплены более слабым ван-дер-ваальсовых связыванием, чем было бы найдено в графите.

Термины «реактор с механическим перемешиванием» и «реактор со смесителем» являются взаимозаменяемыми и имеют эквивалентное значение.

Как используется в настоящем документе, термин «уменьшение трения in situ» относится к процессу, в котором смазочные свойства жидкости изменены или улучшены. В процессе уменьшения трения in situ жидкость может использоваться в качестве смазки и улучшать свои смазывающие свойства одновременно или почти одновременно (например, в течение 5 минут, в течение 4 минут, в течение 2 минут, в течение 1 минуты, в течение 30 секунд, в течение 15 секунд, в течение 10 секунд, в течение 5 секунд, или в течение 1 секунды).

В варианте осуществления, композиция или соединение по изобретению, такое как жидкое органическое соединение или газообразное органическое соединение, изолировано или по существу очищено. В варианте осуществления, изолированное или очищенное соединение по меньшей мере частично изолировано или по существу очищено, в том смысле, который понимается в данной области техники. В варианте осуществления, по существу очищенная композиция, соединение или состав по изобретению имеет химическую чистоту, по меньшей мере 95%, необязательно, для некоторых областей, по меньшей мере, 97%, необязательно, для некоторых областей, по меньшей мере, 98%, необязательно, для некоторых областей, по меньшей мере, 99%, необязательно для некоторых областей, по меньшей мере, 99,9%, необязательно, для некоторых областей, 99,99%, и необязательно, для некоторых областей, 99,999%.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В следующем описании сформулированы многочисленные специфические детали устройств, компонентов устройства и способов настоящего изобретения, для того, чтобы дать полное объяснение точного характера изобретения. Специалистам в данной области техники, однако, будет очевидно, что изобретение может быть осуществлено без этих специфических деталей.

В настоящем документе описан способ получения твердого углеродного материала, включающий: доставку жидкости, содержащей, по меньшей мере одно жидкое органическое соединение, в зону реакции реактора; доставку газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение, в зону реакции реактора; и индуцирование химической реакции, по меньшей мере, между одним жидким органическим соединением и, по меньшей мере, одним газообразным органическим соединением, где: химическая реакция происходит в зоне реакции реактора; твердый углеродный материал получен реакцией; твердый углеродный материал получен во время реакции в форме дисперсии, включающей твердый углеродный материал, диспергированный в жидкости; и химическая реакция является гомогенной реакцией, включающей гомогенную нуклеацию твердого углеродного материала в зоне реакции реактора. Предпочтительно, химическая реакция включает газожидкостный массообмен. Предпочтительно, но не обязательно, состав газа отличается от состава жидкости. Предпочтительно, но не обязательно, состав, по меньшей мере, одного газообразного соединения отличается от состава, по меньшей мере, одного жидкого органического соединения. Например, наличие газа (или, по меньшей мере, одного газообразного органического соединения) и жидкости (или, по меньшей мере, одного жидкого органического соединения) с другим химическим составом (например, пропан и этанол) может предоставить большую степень гибкости в типе, составе и свойствах полученного твердого углеродного материала(ов), по сравнению с эквивалентным процессом, где газ и жидкость имеют эквивалентный химический состав. Необязательно, химическая реакция не происходит на или при катализаторе. Предпочтительно, но не обязательно, способ не включает гетерогенную нуклеацию твердого углеродного материала на твердой подложке. Необязательно, стадия доставки жидкости выполняется через первый входной поток в зону реакции, и стадия доставки газа выполняется через второй входной поток в зону реакции; где пути первого потока и второго входного потока отличаются и являются физически отдельными. Необязательно, стадия доставки жидкости и стадии осуществления доставки газа выполняется одновременно. Необязательно, стадия доставки газа выполняется после того, как жидкость доставляется в зону реакции (например, но не обязательно, периодическим процессом, где жидкость сначала доставляется в реактор периодического действия, и затем газ доставляют в период, когда желательно прохождение реакции). Предпочтительно, твердый углеродный материал остается диспергированным в жидкости во время присутствия в зоне реакции. Предпочтительно, но не обязательно, жидкость по существу не содержит твердый углеродный материал во время стадии доставки жидкости и до стадий доставки газа и индуцирования химической реакции. Предпочтительно, но не обязательно, жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем во время стадии доставки жидкости и до стадий доставки газа и индуцирования химической реакции. Предпочтительно, но не обязательно, твердый углеродный материал сформирован только в зоне реакции реактора. Необязательно, твердый углеродный материал не получают, если способ выполняют без стадии доставки газа при в другом эквивалентных стадиях и условиях. Предпочтительно, но не обязательно, доставка газа включает захват газа, впрыск газа или их комбинацию. Необязательно, газ захватывается в жидкость под давлением, газ впрыскивается в жидкость, или газ барботируется в жидкость или их комбинация. Предпочтительно, газ доставляют непосредственно в зону реакции во время стадии доставки газа. Давление в зоне реакции является любым подходящим давлением, позволяющим газожидкостный массообмен (например, 10-5000 ф./кв.д., 50-3000 ф./кв.д., и т.д.). Предпочтительно, но не обязательно, стадии доставки газа и индуцирования химической реакции выполняют одновременно или почти одновременно (например, в течение 5 минут, в течение 4 минут, в течение 2 минут, в течение 1 минуты, в течение 30 секунд, в течение 15 секунд, в течение 10 секунд, в течение 5 секунд, или в течение 1 секунды). Предпочтительно, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение и, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение одновременно (например, в течение 5 минут, в течение 4 минут, в течение 2 минут, в течение 1 минуты, в течение 30 секунд, в течение 15 секунд, в течение 10 секунд, в течение 5 секунд, или в течение 1 секунды) находятся в зоне реакции. Предпочтительно, получение углеродного материала включает нуклеацию углеродного материала в жидкости. Предпочтительно, получение углеродного материала включает нуклеацию углеродного материала в жидкости и рост углеродного материала в жидкости. Необязательно, твердый углеродный материал является множеством углеродных материалов. Необязательно, реактор является кавитационным реактором, реактором со сдвигом, реактором с механическим перемешиванием или многофункциональным реактором. В некоторых вариантах осуществления, реактор является кавитационным реактором; реакционная зона является кавитационной зоной кавитационного реактора; и способ включает формирующиеся кавитационные пузыри в жидкости в зоне кавитации кавитационного реактора.

По сравнению с обычными процессами способы по изобретению, раскрытые в настоящем документе, могут занимать минуты или даже секунды, а не часы, являются низкозатратными, минимально используют нежелательные химикаты, используют меньше энергии и/или являются высоко масштабируемыми. Неожиданно было обнаружено, что согласно способам по изобретению, твердый углеродный материал, такой как графен или графеноподобный материал, может быть получен непосредственно (т.е. за одну стадию) в жидкости в форме дисперсии, включая стабильную дисперсию. Диспергированный твердый углеродный материал (например, графен или графеноподобный материал) имеет одно или несколько преимуществ по сравнению с твердым порошком. Эти преимущества включают то, что жидкости могут быть намного легче разведены, чем порошок, жидкости легче обрабатывать с точки зрения обращения с материалом, и/или получение твердого углеродного материала непосредственно, за одну стадию, в жидкости является менее затратным, чем получение порошка и последующее диспергирование порошка.

В способе по изобретению реактором является любой подходящий реактор, облегчающий газожидкостный массообмен для формирования твердого углеродного материала, по меньшей мере, из одного газообразного органического соединения и, по меньшей мере, одного жидкого органического соединения. В общем, реактором будет такой, который может обеспечить кавитацию, сдвиг, высокое давление, высокие температуры и/или смешивание или любую комбинацию этих условий. В вариантах осуществления, реактор выбран из группы, состоящей из кавитационного реактора, реактор со сдвигом, реактора с механическим перемешиванием или их комбинации. Типовые примеры подходящего реактора, который может обеспечить кавитацию, сдвиг, высокое давление, высокие температуры и/или смешивание, включают реактор с механическим перемешиванием, турбинный реактор, монолитный реактор, пенный реактор, реактор типа ротор-статор, батарейный реактор со сдвигом, высокоскоростной реактор со сдвигом (например, Charles Ross HSM-700), гидродинамический кавитационный реактор, ситчатый реактор, трубчатый вращающийся реактор, вращающийся реактор с уплотненным слоем, вращающийся реактор типа гармошки, реактор с псевдоожиженным слоем, реактор Тейлора-Куетта, двухтрубный реактор, вращающийся дисковый реактор, реактор со сталкивающимися струями, ультразвуковой реактор типа газ-твердое тело, ультразвуковой реактор, реактор с ультразвуковым зондом, микроволновый реактор, реактор с ударной волной (например, SHOCKWAVE POWER™ Reactor (SPR); Hydro Dynamics, Inc., Rome, GA), реактор с непрерывным потоком (например, RAPTOR™ реактор; La Mesta Chimie Fine, Gilette, France), реактор с мешалкой, обеспечивающий сдвиг и любую их комбинацию. Например, гидродинамический кавитационный реактор может быть объединен с реактором с механическим перемешиванием, или реактор с механическим перемешиванием может быть объединен с реактором со сдвигом. Должно быть понятно, что реактор может быть классифицирован по одной или нескольким категориям для индуцирования газожидкостного массообмена (например, кавитации, сдвига, высокого давления и/или высоких температур).

Необязательно, стадия индуцирования химической реакции включает индуцирование силы сдвига в жидкости. Необязательно, реактор является реактором с механическим перемешиванием, содержащим мешалку; и где мешалка индуцирует силу сдвига в жидкости. Необязательно, мешалка выбрана из группы, состоящей из газ-индуцирующей мешалки, мешалки Rushton/турбины, монолитной мешалки, спиральной мешалки, мешалки с пластинчатыми или радиальными плоскими лопастями, аксионного пропеллера, угловых лопастей, турбинной вихревой мешалки, нескольких мешалок на одном стержне и любой их комбинации. Необязательно, мешалкой является газ-индуцирующая мешалка. Необязательно, мешалка характеризуется скоростью вращения, выбранной из диапазона от 200 об/мин до 14000 об/мин (например, 250-12000 об/мин, 500-10000 об/мин, 1000-5000 об/мин, 1000-3000 об/мин, 1000-1200 об/мин). Сдвиг, созданный мешалкой в реакторе с механическим перемешиванием, в основном определяется отношением диаметра крыльчатки (D) к диаметру бака (T). Отношение D/T, как правило, находится в диапазоне 0,1-0,6, предпочтительно 0,2-0,5. Низкие отношения D/T дают высокий сдвиг и как правило вращаются при более высоких об./мин, в то время как высокие отношения D/T дают низкий сдвиг и вращаются при более низких об./мин. Необязательно, стадия индуцирования химической реакции включает перемешивание или смешивание жидкости и газа в зоне реакции, которое может включать снижение среднего размера пузырей газа в жидкости в зоне реакции. Необязательно, давление в зоне реактора выбрано из диапазона от 6 бар (примерно 87 ф./кв.д.) до 150 бар (примерно 2175 ф./кв.д.). Необязательно, температура в зоне реакции выбрана из диапазона от 20°C до 250°C (например, от 20°C до 200°C, от 20°C до 150°C, от 20°C до 100°C, от 30°C до 250°C, от 30°C до 200°C, от 30°C до 150°C, от 30°C до 100°C, от 40°C до 250°C, от 40°C до 200°C, от 40°C до 150°C, от 40°C до 100°C, от 50°C до 250°C, от 50°C до 200°C, от 50°C до 150°C, от 50°C до 100°C, от 50°C до 90°C или от 60°C до 100°C).

В одном аспекте, в настоящем документе представлен способ получения твердого углеродного материала, где способ включает: доставку жидкости, содержащей, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение в кавитационный реактор; формирование кавитационных пузырей в жидкости в зоне кавитации кавитационного реактора; и доставку газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение в зону кавитации кавитационного реактора; таким образом, получая углеродный материал в форме дисперсии, включающей углеродный материал диспергированный в жидкости. В некоторых вариантах осуществления кавитационный реактор является гидродинамическим кавитационным реактором, реактором со сдвигом, ультразвуковым кавитационным реактором или многофункциональным реактором. В некоторых вариантах осуществления, кавитационный реактор включает гидродинамическую кавитацию; или кавитационный реактор включает ультразвуковую кавитацию. В некоторых вариантах осуществления кавитационный реактор включает гидродинамическую кавитацию и реактор типа ротор-статор; или кавитационный реактор включает ультразвуковую кавитацию и реактор типа ротор-статор. В некоторых вариантах осуществления кавитационный реактор включает реактор типа ротор-статор, батарейный реактор со сдвигом, высокоскоростной реактор со сдвигом, гидродинамический кавитационный реактор, ситчатый реактор, вращающийся реактор с уплотненным слоем, вращающийся дисковый реактор, реактор со сталкивающимися струями, ультразвуковой реактор типа газ-твердое тело, ультразвуковой реактор, реактор с ультразвуковым зондом, реактор с мешалкой, обеспечивающий сдвиг или их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления, доставка газа включает захват газа, впрыск газа или их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления, газ захватывается в жидкости. В некоторых вариантах осуществления, газ впрыскивается в жидкость. В некоторых вариантах осуществления, газ барботируется в жидкость. В некоторых вариантах осуществления, газ доставляют непосредственно в зону кавитации во время стадии доставки газа. В некоторых вариантах осуществления, стадии формирования кавитационных пузырей и доставки газа выполняются одновременно или почти одновременно (например, в течение 5 минут, в течение 4 минут, в течение 2 минут, в течение 1 минуты, в течение 30 секунд, в течение 15 секунд, в течение 10 секунд, в течение 5 секунд, или в течение 1 секунды). В некоторых вариантах осуществления, стадия формирования кавитационных пузырей включает нуклеирующие кавитационные пузыри. В некоторых вариантах осуществления, во время стадии доставки газа, газ доставляют непосредственно или в 1 мм от зоны нуклеации кавитационных пузырей, где зона нуклеации кавитационных пузырей соответствует нуклеации кавитационных пузырях в кавитационной реакции во время стадии формирования. В некоторых вариантах осуществления, стадия формирования включает формирование кавитационного облака, включающего кавитационные пузыри в зоне кавитации реактора, где газ доставляют непосредственно внутрь или в 1 мм от кавитационного облака. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия сформирована в зоне кавитации реактора. В некоторых вариантах осуществления, стадия формирования включает формирование кавитационного облака, включающего кавитационные пузыри; где углеродный материал сформирован в кавитационном облаке. В некоторых вариантах осуществления, жидкость по существу не содержит углеродный материал во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей. В некоторых вариантах осуществления, жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей. В некоторых вариантах осуществления, получение углеродного материала включает нуклеацию углеродного материала в жидкости. В некоторых вариантах осуществления, получение углеродного материала включает нуклеацию углеродного материала в жидкости и рост углеродного материала в жидкости. В некоторых вариантах осуществления, углеродный материал является множеством углеродных материалов.

В некоторых вариантах осуществления кавитационный реактор является или включает гидродинамический кавитационный реактор, имеющий предкавитационную зону и зону отверстия, где зона отверстия между предкавитационной зоной и зоной кавитации. Зона отверстия включает, по меньшей мере, одно отверстие, такое что жидкость течет из зоны предкавитации в зону кавитации, по меньшей мере, через одно отверстие. Другими словами, во время стадии доставки жидкости, жидкость может быть доставлена в предкавитационную зону таким образом, что жидкость затем вытекает из зоны предкавитации, по меньшей мере, через одно отверстие, в зону кавитации. Каждое из, по меньшей мере, одного отверстия характеризуется внутренним диаметром, который меньше, чем внутренний диаметр зоны предкавитации. В некоторых вариантах осуществления, внутренний диаметр зоны кавитации непосредственно вне, по меньшей мере, одного отверстия, больше, чем внутренний диаметр отверстия. В некоторых вариантах осуществления, газ доставляют непосредственно к кавитационному концу, по меньшей мере, одного отверстия или в пределах 1 мм от конца, по меньшей мере, одного отверстия; где кавитационный конец, по меньшей мере, одного отверстия, является концом, по меньшей мере, одного отверстия, ближайшего к зоне кавитации кавитационного реактора. В некоторых вариантах осуществления, газ доставляют в 1 мм (например, в 0,8 мм, в 0,6 мм, в 0,5 мм, в 0,3 мм, в 0,2 мм) или непосредственно на выход, по меньшей мере, одного отверстия (например, конец одной или нескольких труб доставки газа и осуществляют туда доставку газа).

В некоторых вариантах осуществления, во время стадии доставки газа, газ доставляют непосредственно в 1 мм, в 0,8 мм, в 0,6 мм, в 0,5 мм, в 0,3 мм, в 0,2 мм, или в 0,1 мм, или, предпочтительно для некоторых применений, непосредственно в зону нуклеации кавитационного пузыря. Зона нуклеации кавитационного пузыря соответствует месту нуклеации кавитационных пузырей в реакции кавитации во время стадии формирования. В некоторых вариантах осуществления, во время стадии доставки газа, газ доставляют непосредственно в 1 мм, в 0,8 мм, в 0,6 мм, в 0,5 мм, в 0,3 мм, в 0,2 мм, или в 0,1 мм, или, предпочтительно для некоторых применений, непосредственно в зону реакции (например, зону кавитации) реактора.

В некоторых вариантах осуществления стадия формирования включает формирование кавитационного облака, включающего кавитационные пузыри в зоне кавитации реактора, где газ доставляют непосредственно в 1 мм, в 0,8 мм, в 0,6 мм, в 0,5 мм, в 0,3 мм или 0,2 мм, или, предпочтительно для некоторых областей, непосредственно в кавитационное облако.

В некоторых вариантах осуществления, дисперсия, по меньшей мере, частично сформирована в зоне реакции (например, зоне кавитации) реактора. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия по существу сформирована в зоне реакции (например, зоне кавитации) реактора. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия, по меньшей мере, частично сформирована в кавитационном облаке реактора (если реактор является кавитационным реактором). В некоторых вариантах осуществления, дисперсия по существу сформирована в кавитационном облаке реактора (если реактор является кавитационным реактором). В некоторых вариантах осуществления, дисперсия, по меньшей мере, частично сформирована в зоне нуклеации кавитационного пузыря реактора (если реактор является кавитационным реактором).

В некоторых вариантах осуществления, стадия формирования включает формирование кавитационного облака, включающего кавитационные пузыри; где углеродный материал сформирован в кавитационном облаке. В некоторых вариантах осуществления, жидкость по существу не содержит углеродный материал или его кристаллы во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей. Например, жидкость по существу не содержит углеродный материал или его кристаллы до доставки жидкости. В некоторых вариантах осуществления жидкость по существу не содержит углеродный материал или его кристаллы до поступления жидкости в зону кавитации кавитационного реактора. Например, жидкость по существу не содержит углеродный материал или его кристаллы до поступления жидкости в зоне отверстия гидродинамического кавитационного реактора. Например, жидкость по существу не содержит углеродный материал или его кристаллы до выхода жидкости из отверстия зоны отверстия гидродинамического кавитационного реактора. Например, жидкость по существу не содержит углеродный материал или его кристаллы до поступления жидкости вовнутрь, в 1 мм, или в 1 см от области нуклеации кавитационных пузырей. В некоторых вариантах осуществления, жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей. Например, жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем до поступления жидкости в отверстие зоны отверстия гидродинамического кавитационного реактора. В некоторых аспектах жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем до выхода жидкости из отверстия зоны отверстия гидродинамического кавитационного реактора. Например, жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем до поступления жидкости вовнутрь, в 1 мм, или в 1 см от области нуклеации кавитационных пузырей.

В некоторых вариантах осуществления, формирование или нуклеация углеродного материала происходит в течение 1 минуты (например, в течение 30 секунд, 20 секунд, 5 секунд или 1 секунды) после формирования кавитационных пузырей в жидкости. В некоторых вариантах осуществления, нуклеация углеродного материала происходит в течение 1 минуты (например, в течение 30 секунд, 20 секунд, 5 секунд или 1 секунды) после нуклеации кавитационных пузырей в 1 мм (например, в 0,8 мм, 0,6 мм, 0,5 мм, 0,3 мм или 0,2 мм) зоны нуклеации кавитационных пузырей, в то время как газ доставляют в зону кавитации.

В некоторых вариантах осуществления, способ получения твердого углеродного материала включает стадию завершения доставки газа в зону реакции (например, зону кавитации). Размерные характеристики углеродного материала могут изменяться, уменьшаться, или, предпочтительно для некоторых областей, увеличиваться после стадии завершения. Например, частицы углеродного материала, такие как графеновые частицы или их кристаллы могут увеличиться по: количеству слоев графена, длине частицы или слоя, ширине частицы или слоя, диаметру частицы или слоя, толщине частицы или слоя или любой их комбинации. Например, частицы углеродного материала, такие как частицы графена или их кристаллы могут уменьшиться по: количеству слоев графена, длине частицы или слоя, ширине частицы или слоя, диаметру частицы или слоя, толщине частицы или слоя или любой их комбинации. Например, противодавление (например, через закрытие клапана ниже зоны кавитации и остающейся там жидкости при продолжении доставки жидкости) и/или сдвиг по краю (например, для жидкости, текущей через отверстие) может привести к снижению размерных характеристик углеродного материала, например, снижению размера графеновых пластинок или количества слоев в графеновых пластинках. В некоторых вариантах осуществления, способ получения твердого углеродного материала включает удерживание дисперсии в зоне реакции (например, зоне кавитации) в течение времени, которое меньше чем или равно 60 минутам (например, меньше чем или равно 30 минутам, меньше чем или равно 20 минутам, меньше чем или равно 10 минутам, меньше чем или равно 5 минутам, меньше чем или равно 1 минуте) или выбрано из диапазона 1-60 минут, 2-60 минут, 1-30 минут, 1-20 минут, 1-10 минут, или, предпочтительно для некоторых областей, 1-5 минут после стадии завершения и при отсутствии доставки газа в зону реакции (например, зону кавитации). Например, дисперсия (или, жидкость, содержащая диспергированный углеродный материал) может циркулировать или иначе оставаться, по меньшей мере, частично или по существу в зоне реакции (например, зоне кавитации) после того, как доставка газа будет завершена или иначе отключена. Например, клапан может быть, по меньшей мере, частично закрыт ниже зоны реакции (например, зоны кавитации) во время стадии сохранения для, по меньшей мере, частичного сохранения дисперсии в зоне реакции (например, зоне кавитации). Например, во время сохранения дисперсии в зоне кавитации, дисперсия, по меньшей мере, частично или по существу находится в кавитационном облаке в течение, по меньшей мере, 1%, по меньшей мере, 10%, по меньшей мере, 20%, по меньшей мере, 50% или по меньшей мере, 75% продолжительности стадии сохранения. Например, во время сохранения дисперсии в зоне кавитации, дисперсия может находиться, по меньшей мере, частично или по существу в зоне нуклеации кавитационного пузыря в течение, по меньшей мере, 1%, по меньшей мере, 10%, по меньшей мере, 20%, по меньшей мере, 50% или, по меньшей мере, 75% продолжительности стадии сохранения. В некоторых вариантах осуществления, во время стадии сохранения, размерная характеристика углеродного материала может измениться, уменьшиться, или, предпочтительно для некоторых областей, увеличиться. В некоторых вариантах осуществления, концентрация углеродного материала в дисперсии остается по существу постоянной во время стадии сохранения после того, как доставка газа закончена и при отсутствии доставки газа в зону реакции (например, зону кавитации). В некоторых вариантах осуществления, концентрация углеродного материала в дисперсии уменьшается во время стадии сохранения после того, как закончена доставка газа. Например, углеродный материал может нуклеировать в жидкости во время стадии доставки газа, но углеродный материал может по существу прекратить нуклеировать после того, как доставка газа закончена, хотя одна или несколько размерных характеристик углеродного материала могут продолжить изменяться. Например, из-за прекращения нуклеации углеродного материала, концентрация углеродного материала может быть постоянной или может уменьшиться, если, например, частицы углеродного материала слипаются (например, агрегируются и/или агломерируются) и/или объем жидкости, соответствующей дисперсии, увеличивается. В некоторых вариантах осуществления, во время стадии сохранения дисперсии в зоне реакции (например, зоне кавитации) и после стадии завершения и при отсутствии доставки газа в зону реакции (например, зону кавитации), способ создания твердого углеродного материала далее, включает стадию дегазации жидкости или дисперсии для уменьшения концентрации газа, захваченного в нее.

В некоторых вариантах осуществления способ создания твердого углеродного материала включает восстановление углеродного материала из дисперсии, в твердой или порошковой форме. Стадия восстановления может включать, например, фильтрацию, вакуумную фильтрацию, испарение растворителя, центрифугирование или любую их комбинацию.

В некоторых вариантах осуществления, концентрация, по меньшей мере, одного жидкого органического соединения в жидкости (например, воде) выбрана из диапазона от 1% масс. до 100% масс. В варианте осуществления, концентрация, по меньшей мере, одного жидкого органического соединения в жидкости выбрана из диапазона от 25% масс. к 100% масс.

В некоторых вариантах осуществления концентрация полученного твердого углеродного материала в жидкости выбрана из диапазона о 0,0025% масс. до 7% масс. (например, от 0,0075% масс. до 7% масс., от 0,01% масс. до 5% масс., от 0,1% масс. до 5% масс., от 0,5% масс. до 4% масс., от 1% масс. до 3% масс., от 1% масс. до 2% масс.). Желаемая концентрация может зависеть от конечного применения дисперсии углеродного материала. Например, для смазывающей жидкости, желаемая концентрация может составлять по существу примерно 0,01% масс. углеродного материала. Например, для того, чтобы получить графеновый порошок, концентрация может составлять по существу примерно 5% масс. углеродного материала.

В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение включает или выбрано из группы, состоящей из мономера, олигомера, форполимера, полимера, органического растворителя и любой их комбинации. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение включает термопластичный полиуретан TPU и/или эпоксид. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение включает или выбрано из группы, состоящей из метанола, этанола, изопропилового спирта, метилпирролидона, д-циклопентадиена, гексана, бензола, толуола, гептана, ксилола, диметилсульфоксида, минерального масла, машинного масла, машинного масла MOBILE 1™, машинного масла Syn 530, AMSOIL™, NonSyn, QUAKER STATE™ 530, базового масла, гидрогенизированного касторового масла, трансмиссионного масла, редукторного масла, растительного масла, углеводородной основы бурового раствора, масла с присадками, масла без присадок (например, высокоуглеродистого масла), керосина, дизельного топлива, этиленгликоля, пропиленгликоля, диэтиленгликоля, триэтиламина, триметиламина, пентана, циклопентана, циклогексана, 1,4-диоксана, хлороформа, диэтилового эфира, дихлорметана, тетрагидрофурана, этилацетата, ацетона, диметилформамида, ацетонитрила, нитрометана, карбоната пропилена, муравьиной кислоты, бутанола, пропанола, уксусной кислоты, октадецена, олеиновой кислоты, олеиламина, октана, диэтиленгликолевого эфира, 1,2-дихлорбензола, метилацетата, тетрахлорэтилена, дифенилтиомочевины, гексафтор-2-пропанола, коричной кислоты, триметиламина, бензолтиола, этантиола, этандитиола, 4-аминобензолтиола, акриловой кислоты, сероуглерода, 1,2-дихлорбензола, N-метил-2-пирролидона и любой их комбинации.

В некоторых вариантах осуществления газообразное органическое соединение включает или выбрано из группы, состоящей из алкана, алкена, алкина, циклоалкана, гетероциклоалкана, арена, гетероарена и их комбинаций. Алканом могут быть, например, C_1-20 алканы, C_1-12 алканы, C_1-8 алканы, C_1-6 алканы, C_1-4 алканы. Алкеном могут быть, например, C_1-20 алкены, C_1-12 алкены, C_1-8 алкены, C_1-6 алкены, C_1-4 алкены. Алкином могут быть, например, C_1-20 алкины, C_1-12 алкины, C_1-8 алкины, C_1-6 алкины, C_1-4 алкины. Циклоалканом может быть, например, C_3-10 циклоалкан, C_3-6 циклоалкан. Гетероциклоалканом может быть, например, стабильная, насыщенная или частично ненасыщенная моноциклическая, бициклическая и спиро кольцевая система, содержащая 3-7 кольцевых атомов углерода и других гетероатомов, выбранных из N, S, и/или O. Примеры таких гетероциклоалканов включают изоксазол, тиазолин, имидазолидин, пиперазин, гомопиперазин, пиррол, пирролин, пиразол, пиран, пиперидин, оксазол и морфолин. Ареном может быть, например, C_6-30 арен, C_6-18 арен, C_6-10 арен, такой как бензол и нафталин. Гетероареном может быть, например, ароматическая 5- или 6-членная моноциклическая группа, 9- или 10-членная бициклическая группа или 11-14-членная трициклическая группа, каждая из которых содержит, по меньшей мере, один гетероатом (O, S, или N) в, по меньшей мере, одном из колец, и каждое кольцо имеет, по меньшей мере, один атом углерода. Иллюстративные примеры гетероарена включают пиридин, пиридазин, пиримидин, пиразин, бензимидазол, триазин, имидазол, (1,2,3)- и (1,2,4)-триазол, пиразин, тетразол, фуран, бензофуран, пиррол, тиен, изотиазол, тиазол, изоксазол и оксадиазол). Алкан, алкен, алкин, циклоалкан, гетероциклоалкан, арен и гетероарен могут быть необязательно замещены одним или несколькими заместителями (например, 1-5, 1-4, 1-3 или 1 или 2), такими как алкил, арил, галоген (F, Cl, Br, I), нитро ((-NO₂), циано (-CN), гидрокси (-OH), тиол (-SH), алкокси (-OR), формил (-C(O)H), карбокси (-COOH), карбоксиалкил (-RCOOH), алкилкарбокси (-C(O)OR), амидо (-C(O)NH или -NHC(O)H), моно- или диалкиламидо (-C(O)NRR´ или -NRC(O)H), амино или моно- или диалкиламино, где R является алкилом и R´, является водородом или алкилом, как описано в настоящем документе.

Примеры газообразного органического соединения включают метан, ацетилен, этилен, пропан, 1,3-бутадиен, бутан и любую их комбинацию.

Газообразное органическое соединение доставляют со скоростью потока, подходящей для используемых типа реактора и условий. В некоторых вариантах осуществления, газообразное органическое соединение характеризуется скоростью потока, выбранной из диапазона от 6 мл/мин до 15 мл/мин (например, от 6 мл/мин до 12 мл/мин, от 7 мл/мин до10 мл/мин) в зоне реакции реактора, особенно когда реактор является гидродинамическим кавитационным реактором, батарейным реактором со сдвигом, или высокоскоростным реактором со сдвигом (например, Charles Ross HSM-700).

В некоторых вариантах осуществления, газ содержат восстанавливающее соединение (например, водород), окисляющее соединение (например, кислород, озон, пероксид или воду), инертное соединение (например, аргон, азот) или любую их комбинацию.

В некоторых вариантах осуществления жидкость характеризуется объемной температурой меньше чем 400°C, меньше чем 300°C, меньше чем 200°C, меньше чем или равно 100°C, меньше чем или равно 80°C, меньше чем или равно 50°C, меньше чем или равно 40°C, меньше чем или равно 35°C и/или 20°C или больше в зоне реакции (например, зоне кавитации). В некоторых вариантах осуществления газ характеризуется объемной температурой меньше чем 400°C, меньше чем 300°C, меньше чем 200°C, меньше чем или равно 100°C, меньше чем или равно 80°C, меньше чем или равно 50°C, меньше чем или равно 40°C, меньше чем или равно 35°C и/или 20°C или больше в реакторе, необязательно в или около зоны реакции (например, зоны кавитации). Любые две из предшествующих конечных точек могут использоваться для определения закрытого диапазона, или единственная конечная точка может использоваться для определения открытого диапазона.

В некоторых вариантах осуществления жидкость характеризуется скоростью потока, выбранной из диапазона от 5 л/мин до 200 л/мин (например, от 5 л/мин до 100 л/мин, от 5 л/мин до 50 л/мин, от 10 л/мин до 200 л/мин или от 10 л/мин до 100 л/мин) в зоне реакции реактора, такой как зона кавитации гидродинамического кавитационного реактора или кавитационного реактора обработки ультразвуком, реактора со сдвигом или реактора с механическим перемешиванием. В некоторых вариантах осуществления, газ доставляют (например, впрыскивают) под давлением, выбранным из диапазона от 2 ф./кв.д. до 150 ф./кв.д. (например, 2-100 ф./кв.д., 5-100 ф./кв.д., 10-90 ф./кв.д., 20-70 ф./кв.д.) в зоне реакции (например, зоне кавитации). В некоторых вариантах осуществления давление в зоне реакции (например, зоне кавитации) выбрано из диапазона от 10 ф./кв.д. до 5000 ф./кв.д. (например, от 200 ф./кв.д. до 4000 ф./кв.д., 1000-3000 ф./кв.д.). В некоторых вариантах осуществления, реактор включает ротор-статор, и ротор-статор работает при скорости вращения, выбранной из диапазона от 200 об/мин до 14000 об/мин (например, 250-12000 об/мин, 500-10000 об/мин, 1000-5000 об/мин, 1000-1200 об/мин) в зоне реакции (например, зоне кавитации) реактора. В некоторых вариантах осуществления, время нахождения жидкости в реакторе (например, кавитационном реакторе) выбрано из диапазона от 0,05 до 20 секунд. В некоторых вариантах осуществления, способ выполняется в течение времени процесса, по меньшей мере, 1 минута и, предпочтительно, до 60 минут (например, по меньшей мере, 2 минуты, по меньшей мере, 5 минут, по меньшей мере, 10 минут и/или до 15 минут, до 20 минут, до 30 минут, до 40 минут, до 50). Любые две из вышеуказанных конечных точек могут использоваться для определения закрытого диапазона, или единственная конечная точка может использоваться для определения открытого диапазона. В некоторых вариантах осуществления, реактор (например, кавитационный реактор) включает ультразвуковой реактор, где ультразвуковой реактор работает при частоте обработки ультразвуком от 20 кГц до 300 кГц и амплитудном диапазоне 10-100%.

В целом твердый углеродный материал не получают, когда способ выполняют в отсутствии стадии доставки газа при в других отношениях эквивалентных стадиях и условиях.

В некоторых вариантах осуществления, способ получения твердого углеродного материала включает функционализацию твердого углеродного материала для получения функционализированного твердого углеродного материала. В некоторых вариантах осуществления способа получения твердого углеродного материала, дисперсия является первой дисперсией, углеродный материал является материалом предшественником, и кавитационный реактор является первым кавитационным реактором; способ дополнительно включает: доставку первой дисперсии во второй кавитационный реактор; формирование кавитационных пузырей в первой дисперсии в зоне кавитации второго кавитационного реактора; и доставку газа, включающего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение, непосредственно в зону кавитации второго кавитационного реактора; таким образом, превращая материал предшественник во второй углеродный материал, где второй углеродный материал в форме второй дисперсии, содержит второй углеродный материал, диспергированный в жидкости; где материал предшественник и второй углеродный материал отличаются. В некоторых вариантах осуществления, первый кавитационный реактор и второй кавитационный реактор являются одинаковыми.

В некоторых вариантах осуществления дисперсия является первой дисперсией, химическая реакция является первой химической реакцией, газ является первым газом, реактор является первым реактором, и твердый углеродный материал является материалом предшественником. В таких вариантах осуществления, способ дополнительно включает: доставку первой дисперсии во второй реактор; доставку второго газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение, непосредственно в зону реакции второго реактора; и индуцирование второй химической реакции в зоне реакции второго реактора; где: вторая химическая реакция превращает материал предшественник во второй твердый углеродный материал; где второй углеродный материал диспергирован в жидкости; и материал предшественник и второй углеродный материал отличаются. Необязательно, второй реактор является кавитационным реактором, и стадия индуцирования включает формирование кавитационных пузырей в первой дисперсии в зоне реакции второго реактора, как описано в настоящем документе. Необязательно, первый реактор и второй реактор являются одинаковыми.

В некоторых вариантах осуществления дисперсия является коллоидом, суспензией или их комбинацией. В некоторых вариантах осуществления, углеродный материал содержит графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные пластинки, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, композит, содержащий графен, катионный графен или любую их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления, углеродный материал содержит серу и графен или содержит гексагональный нитрид бора и графен. В некоторых вариантах осуществления, углеродный материал содержит графен или графеноподобный материал. В некоторых вариантах осуществления, углеродный материал является графеном или графеноподобным материалом. В некоторых вариантах осуществления, углеродный материал содержит нанокомпозит графенового полимера. В некоторых вариантах осуществления, графен является морщинистым графеном, раскрошенным графеном, графеном с отверстиями или любой их комбинацией.

В некоторых вариантах осуществления, твердый углеродный материал характеризуется содержанием кислорода меньше чем или равно 10% атом. (например, меньше чем или равно 7% атом., меньше чем или равно 5% атом., меньше чем или равно 1% атом., меньше чем или равно 0,5% атом., или меньше чем или равно 0,1% атом.) («% атом.» является атомным процентом). В некоторых вариантах осуществления, углеродный материал характеризуется отношением атомных концентраций углерод:кислород, таким как, по меньшей мере, 150:1, по меньшей мере, 175:1, по меньшей мере, 200:1, по меньшей мере, 225:1, или по меньшей мере, 249:1. В некоторых вариантах осуществления, углеродный материал по существу не содержит кислород. В некоторых вариантах осуществления, углеродный материал является кристаллическим (например, кристаллический графен). В некоторых вариантах осуществления, гидродинамическая кавитация создает микронные графеноподобные пластины. В некоторых вариантах осуществления, высокий сдвиг дает кристаллический графеновый материал. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется Дзета-потенциалом, больше, чем +40 мВ или меньше чем -160 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется Дзета-потенциалом, больше, чем +20 мВ или меньше чем -20 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется Дзета-потенциалом, больше, чем +30 мВ или меньше чем -30 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется Дзета-потенциалом, больше, чем +40 мВ или меньше чем -40 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется Дзета-потенциалом, больше, чем +50 мВ или меньше чем -50 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется Дзета-потенциалом, больше, чем +60 мВ или меньше чем -60 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется абсолютным значением Дзета-потенциала, выбранным из диапазона от 20 мВ до 100 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется абсолютным значением Дзета-потенциала, выбранным из диапазона от 20 мВ до 80 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется абсолютным значением Дзета-потенциала, выбранным из диапазона от 20 мВ до 70 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется абсолютным значением Дзета-потенциала, выбранным из диапазона от 20 мВ до 60 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуется абсолютным значением Дзета-потенциала, выбранным из диапазона от 20 мВ до 50 мВ. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия характеризуется коэффициентом трения, уменьшающимся, по меньшей мере, на 5%, предпочтительно, по меньшей мере, на 10%, более предпочтительно, по меньшей мере, на 20%, еще более предпочтительно, по меньшей мере, на 30% и далее более предпочтительно, по меньшей мере, на 50% относительно той же жидкости без твердого углеродного материала.

Было обнаружено, что in situ формирование твердого углеродного материала в дисперсии увеличивает смазывание жидкости. Улучшение может измеряться с точки зрения восстановления следа изнашивания и/или коэффициента трения к той же жидкости без твердого углеродного материала. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия характеризуется следом изнашивания, уменьшающимся, по меньшей мере, на 3%, необязательно, по меньшей мере, на 5%, предпочтительно, по меньшей мере, на 10%, более предпочтительно, по меньшей мере, на 20%, еще более предпочтительно, по меньшей мере, на 30% и далее более предпочтительно, по меньшей мере, на 50% относительно той же жидкости без твердого углеродного материала. Значение следа изнашивания может измеряться любой подходящей методикой, включая ASTM D 4172, Four Ball Wear масла с графиком коэффициента трения. В некоторых вариантах осуществления, способ дополнительно включает использование твердого углеродного материала или дисперсии для уменьшения трения. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия уменьшает коэффициент трения, по меньшей мере, на 5% (например, по меньшей мере, на 10%, по меньшей мере, на 20%, по меньшей мере, на 30%, по меньшей мере, на 40%, по меньшей мере, на 50% и/или до 80%, до 70%, до 60% или до 50%). Любые две из предшествующих конечных точек могут использоваться для определения закрытого диапазона, или единственная конечная точка может использоваться для определения открытого диапазона. В некоторых вариантах осуществления, дисперсию используют для уменьшения трения, не вычищая или изолируя углеродный материал из дисперсии. В некоторых вариантах осуществления, углеродный материал или дисперсия является частью батареи (например, анодом батареи и/или катодом батареи), токопроводящим материалом, теплопроводящим материалом, смазочной жидкостью и/или теплопроводящей жидкостью. Необязательно, способ включает in situ уменьшение трения.

В некоторых вариантах осуществления, реактор (например, кавитационный реактор, реактор с механическим перемешиванием) содержит систему охлаждения. В некоторых вариантах осуществления, реактор (например, кавитационный реактор, реактор с механическим перемешиванием) содержит теплообменник и/или холодильник. В некоторых вариантах осуществления, реактор (например, кавитационный реактор, реактор с механическим перемешиванием) содержит множество зон реакции (например, кавитационных зон). В некоторых вариантах осуществления, гидродинамический кавитационный реактор включает множество отверстий.

Также в настоящем документе описан способ функционализации первого твердого углеродного материала, диспергированного в жидкости, где первый твердый углеродный материал предшественник диспергирован в жидкости, являющейся первой дисперсией, где способ включает стадии: доставки первой дисперсии в зону реакции реактора; где жидкость содержит, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение; доставку газа в зону реакции реактора; и индуцирование функционализационной химической реакции, где: функционализационная химическая реакция формирует второй углеродный материал из первого углеродного материала; функционализационная химическая реакция происходит в зоне реакции реактора; и второй твердый углеродный материал получен во время реакции в форме второй дисперсии, где вторая дисперсия, включает второй твердый углеродный материал, диспергированный в жидкости. Необязательно, функционализационная химическая реакция включает химическую, физическую или и химическую и физическую функционализацию первого твердого углеродного материала. Необязательно, первый твердый углеродный материал содержит оксид графена, графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные пластинки, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, композит, содержащий графен, катионный графен или любую их комбинацию. Необязательно, второй твердый углеродный материал содержит, восстановленный оксид графена, оксид графена, окисленный по краю графен, графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные пластинки, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, композит, содержащий графен, катионный графен или любую их комбинацию. Необязательно, первый твердый углеродный материал содержит оксид графена, и второй твердый углеродный материал содержит восстановленный оксид графена. Необязательно, атомная доля кислорода во втором углеродном материале составляет, по меньшей мере, на 50% меньше, чем атомная доля кислорода в первом углеродном материале. Необязательно, функционализационная химическая реакция включает окисление первого твердого углеродного материала, таким образом, что второй твердый углеродный материал растворим в воде. Необязательно, жидкость включает воду, и вторая дисперсия является водной дисперсией второго углеродного материала в воде. Необязательно, функционализационная химическая реакция включает добавление атомов кислорода к первому твердому углеродному материалу, удаление атомов кислорода из первого твердого углеродного материала, добавление атомов углерода к первому твердому углеродному материалу, добавления атомов азота к первому твердому углеродному материалу, добавление атомов серы к первому твердому углеродному материалу или их комбинацию. Необязательно, газ содержит кислород, водяной пар, водород, азот, диоксид серы, CO₂, озон или любую их комбинацию. Необязательно, реактор является кавитационным реактором, и зона реакции является зоной кавитации; способ включает формирование кавитационных пузырей в жидкости в зоне кавитации кавитационного реактора; и газ впрыскивается непосредственно в зону кавитации. Необязательно, первый твердый углеродный материал химически не связан с твердой подложкой во время функционализационной химической реакции. Необязательно, газ содержит, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение (например, метан, ацетилен, этилен, пропан, 1,3-бутадиен, бутан и их комбинации).

В одном аспекте, в настоящем документе представлен способ функционализации материала, диспергированного в жидкости, где материал, диспергированный в жидкости, является первой дисперсией, где способ включает стадии: доставки первой дисперсии в кавитационный реактор; где жидкость содержит, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение; формирования кавитационных пузырей в жидкости в зоне кавитации гидродинамического кавитационного реактора; и доставки газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение, непосредственно в зону кавитации кавитационного реактора; таким образом, функционализируя материал для формирования второй дисперсии, где вторая дисперсия включает функционализированный материал, диспергированный в жидкости. В некоторых вариантах осуществления, функционализация материала включает химическую, физическую или и химическую и физическую функционализацию материала. В некоторых вариантах осуществления, материал содержит графен, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, гексагональный нитрид бора или любую их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления, функционализированный материал содержит оксид графена. В некоторых вариантах осуществления, функционализация включает добавление атомов кислорода к материалу, удаление атомов кислорода из материала, добавление атомов азота к материалу, добавление атомов серы к материалу или их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления, газ содержит кислород, водяной пар, водород, азот, диоксид серы или любую их комбинацию. В некоторых вариантах осуществления, газ доставляют непосредственно в зону кавитации во время стадии осуществления доставки газа. В некоторых вариантах осуществления стадии формирования кавитационных пузырей и доставки газа выполняют одновременно или почти одновременно (например, в течение 5 минут, в течение 4 минут, в течение 2 минут, в течение 1 минуты, в течение 30 секунд). В некоторых вариантах осуществления, стадия формирования кавитационных пузырей включает нуклеацию кавитационных пузырей. В некоторых вариантах осуществления, во время стадии доставки газа, газ доставляют непосредственно или в 1 мм от области нуклеации кавитационных пузырей, где область нуклеации кавитационных пузырей соответствует нуклеации кавитационных пузырей в кавитационной реакции во время стадии формирования. В некоторых вариантах осуществления, стадия формирования включает формирование кавитационного облака, включающего кавитационные пузыри в зоне кавитации реактора, где газ доставляют непосредственно внутри или в 1 мм от кавитационного облака. В некоторых вариантах осуществления, способ функционализации материала включает завершение доставки газа и сохранение дисперсии в зоне кавитации, при отсутствии доставки газа в зону кавитации. В некоторых вариантах осуществления, во время стадии сохранения дисперсии в зоне кавитации и после стадии завершения и при отсутствии доставки газа в зону кавитации, способ функционализации дополнительно включает стадию дегазации дисперсии для уменьшения концентрации газа, захваченного в ней.

В некоторых вариантах осуществления, гидродинамический кавитационный реактор включает зону предкавитации и зону отверстия, где зона отверстия между зоной предкавитации и зоной кавитации. Зона отверстия включает, по меньшей мере, одно отверстие, такое что жидкость течет из зоны предкавитации в зону кавитации, по меньшей мере, через одно отверстие. Другими словами, во время стадии доставки жидкости, жидкость может быть доставлена в зону предкавитации таким образом, что жидкость впоследствии вытекает из зоны предкавитации, по меньшей мере, через одно отверстие, в зону кавитации. Каждое, по меньшей мере, из одного отверстия характеризуется внутренним диаметром отверстия, который меньше, чем внутренний диаметр зоны предкавитации. В некоторых вариантах осуществления, внутренний диаметр зоны кавитации непосредственно за пределами, по меньшей мере, одного отверстия больше, чем внутренний диаметр отверстия. В некоторых вариантах осуществления, газ доставляют в 1 мм (например, в 0,8 мм, в 0,6 мм, в 0,5 мм, в 0,3 мм, в 0,2 мм) или непосредственно в конец (например, выход) по меньшей мере, одного отверстия (например, конец одной или нескольких труб выделения газа и доставки туда газа).

Также в настоящем документе описан способ получения твердого углеродного материала или его дисперсии, включающей любой один или любую комбинацию вариантов осуществления способов, описанных в настоящем документе, включая способы получения твердого углеродного материала и способы функционализации материала. Также в настоящем документе описан способ функционализации твердого углеродного материала, включающий любой один или любую комбинацию вариантов осуществления способов, описанных в настоящем документе, включая способы получения твердого углеродного материала и способы функционализации материала.

В настоящий документ включены способы получения твердых углеродных материалов, которые совместимы с множеством реакторных технологий. Обычно, и не желая быть связанными какой-либо конкретной теорией, реакторы, применяемые в способах, описанных в настоящем документе, облегчают химическую реакцию, включающую газожидкостный массообмен для получения твердого углеродного материала(ов). Реакторы, облегчающие химическую реакцию, включающую газожидкостный массообмен для получения твердого углеродного материала(ов), будут упомянуты в настоящем документе как «реакторы газожидкостного массообмена». Кавитационные реакторы, такие как описаны в настоящем документе, могут быть типовыми реакторами газожидкостного массообмена, облегчающими химическую реакцию, которые включают газожидкостный массообмен для получения твердого углеродного материала(ов). Реакторами со сдвигом, такими как описаны в настоящем документе, могут быть типовые реакторы газожидкостного массообмена, облегчающие химическую реакцию, включающую газожидкостный массообмен для получения твердого углеродного материала(ов). В определенных вариантах осуществления, реакторы с механическим перемешиванием, такие, как описаны в настоящем документе, включая мешалки, такие как газ-индуцирующая мешалка, могут обеспечить сдвиг для облегчения химической реакции, включающей газожидкостный массообмен для получения твердого углеродного материала(ов). Соответствующие реакторы, которые могут использоваться в качестве реакторов газожидкостного массообмена, согласно вариантам осуществления, описанным в настоящем документе, включают, но не ограничиваются ими: реакторы с перемешиванием или вращением (включая турбинные, монолитные и пенные реакторы), трубчатые реакторы с вращением (включая реакторы с уплотненным слоем, с гармошкой, с псевдоожиженным слоем, Тейлора-Куетта и двухтрубчатые), реакторы с вращающимися дисками (включая реакторы типа ротор-статор, тонкопленочные и с вращающимся дисками), реакторы с ударной волной и реакторы с непрерывным потоком.

Необходимо отметить, однако, что реакторы, описанные в настоящем документе, такие как кавитационные реакторы и реакторы с механическим перемешиванием, например, не обязательно являются реакторами газожидкостного массообмена или не обязательно (неотъемлемо) используются способом, который облегчает химическую реакцию, включающую газожидкостный массообмен для получения твердого углеродного материала(ов). Способы, описанные в настоящем документе, описывают, как облегчить газожидкостный массообмен для получения твердых углеродных материалов в реакторах, которые могут быть сконфигурированы так, чтобы быть совместимыми со способами, описанными в настоящем документе.

Не желая быть связанным какой-либо конкретной теорией, процессы или механизм газожидкостного массообмена, применяемые в настоящем документе, могут включать три стадии: (1) газожидкостный массообмен, (2) который дает начало химическим реакциям, которые (3) дают твердый углеродный материал(ы), такой как графеноподобный материал(ы) или луковичный углерод (OLC). Газожидкостный массообмен является физическим явлением, при определенных условиях дающим начало химическим реакциям. Эти реакции происходят, поскольку диффундирующие газовые молекулы обмениваются на поверхности раздела газ-жидкость. Для облегчения получения твердых углеродных материалов, согласно вариантам осуществления в настоящем документе, газ предпочтительно, дисперигрован в жидкости с маленькими газовыми пузырьками. Меньшие пузыри создают большую площадь поверхности на поверхности раздела и, таким образом, дают большую передачу газа в жидкость (см., например, Sideman et al., Ind. Eng. Chem. 1966, 58, 7, 32-47). Не желая быть связанным какой-либо конкретной теорией, явление «массообмена с химической реакцией» происходит каждый раз, когда одна фаза контактирует с одной или несколькими другими фазами не в химическом равновесии с ними. Это явление имеет промышленную, биологическую и физиологическую важность. При создании химического процесса, с этим сталкиваются в обоих, процессах разделения и создании реакции. В некоторых случаях химическая реакция может сознательно использоваться для ускорения темпа массообмена и/или для увеличения эффективности растворителя; в других случаях многофазная реакционная система является частью процесса с определенной целью формирования продукта.

Не желая быть связанным какой-либо конкретной теорией, реакторы газожидкостного массообмена ускоряют передачу газа в жидкость путем добавления условий высокого давления, тепла или экстремального смешивания, сдвига или их комбинации. Были разработаны многочисленные технологии реактора газожидкостного массообмена, некоторые из которых являются системами пробного запуска (Visscher et al., Chemical Engineering Research And Design, 2013, 91, 1923-1940), другие являются промышленными системами, такими как обработка технической воды, жидкостная каталитическая гидрогенизация и удаление CO₂ путем реакции CO₂ газа с реактивными растворителями (Numerical Gas-Liquid Mass Transfer: Application In Water Treatment Process And Experimental Validation, October 1999, Conference: Second European Congress Of Chemical Engineering (Ecce2), At: Montpellier, France; Yuea et al., Chinese Academy Of Sciences, Beijing 100039, 21 December 2006 Available Online 17 January 2007, и Introduction To Modeling Of Mass Transfer Processes, P. A. Ramachandran, March 14, 2018).

Когда газ реагирует с жидкостью, массообмен происходит одновременно с химической реакцией. В такой ситуации химическая кинетика сочетается с массовым перемещением, что означает, что это больше не просто химическая реакция, а скорее, сложный химически-физический процесс. В зависимости от реактора и различных рабочих параметров, процесс иметь тенденцию к тому, чтобы быть ограниченным по скорости диффузии или ограниченным по скорости реакции. Например, процесс может рассматриваться как сначала требующей инфузии газа в жидкости в виде пузырьков, которая ограничена диффузией, с последующей реакцией на границе раздела жидкости и газа пузыре.

Основная теория химического конструирования постулирует линейное отношение между степенью перемешивания, сдвига или смешивания и общим результатом (K_общее), например, как в реакторных системах с механическим перемешиванием. При меньших скоростях перемешивания, процесс ограничен скоростью «диффузии», но при определенном уровне перемешивания существует переходная зона, где результат достигает плато и становится ограниченным скоростью «реакции». Это проиллюстрировано на ФИГ. 22, например, в диаграмме K_общий к об./мин. мешалки из книги “Scaling Chemical Processes, Practical Guides in Chemical Engineering” by Jonathan Wostell, 2016.

Также важно учитывать степень, до которой газ растворим в жидкости. Если газ умеренно растворим в жидкости, то процесс будет иметь тенденцию к тому, чтобы быть ограниченным скоростью диффузии.

Как будет понятно из предшествующего и следующих обсуждений, заметное улучшение способов и системы, описанных в настоящем документе, в сравнении с обычными технологиями получения твердых углеродных материалов, включая, в частности, графен и графеноподобные материалы, например, состоит в том, что твердые углеродные материалы получают в форме дисперсии in situ. Другими словами, при получении и после получения, твердые углеродные материалы диспергированы в жидкости. В отличие от этого, определенные обычные технологии получения графена, таких как те, которые используют химическое паровое осаждение, формируют графен на или иначе физически и/или химически связанным с твердой подложкой. Согласно таким обычным технологиям, получение дисперсии графена требует впоследствии удаления графена с указанной подложки и последующего диспергирования графена в жидкости, таким образом, не получая дисперсию in situ. Дисперсии графена или других твердых углеродных материалов полезны для различных областей применения, включая, но не ограничиваясь ими, смазку. Кроме того, дисперсии могут быть проще и более безопасными для работы, чем сухие твердые порошки, даже в случаях, где конечное применение требует твердый углеродный материал в форме порошка. Кроме того, сушка или фильтрация дисперсии могут быть легче и менее дорогими, чем химия, требуемая для диспергирования твердого порошка в растворителе. Таким образом, способы, описанные в настоящем документе, является предпочтительными в том, что они дают дисперсии in situ, содержащие твердые углеродные материал(ы), которые получают в одну стадию, а не в несколько стадий. В варианте осуществления, настоящее изобретение представляет дисперсию, содержащую, по меньшей мере, один твердый углеродный материал в жидкости, где по меньшей мере, один твердый углеродный материал получают в соответствии с любым из способов, описанных в настоящем документе. Твердый углеродный материал и жидкость описаны во всем документе. В некоторых вариантах осуществления, дисперсия может быть описана как стабильная, такая, что частицы твердого углеродного материала остаются диспергированными в дисперсии и не выпадают в осадок или не осаждаются из жидкости дисперсии в течение указанного периода времени (например, по меньшей мере, 1 час, по меньшей мере, 2 часа, по меньшей мере, 3 часа, по меньшей мере, 5 часов, по меньшей мере, 12 часов, по меньшей мере, 24 часа, по меньшей мере, 36 часов, по меньшей мере, 48 часов или, по меньшей мере, 1 неделя) при обычной температуре и давлении (NTP) и под воздействием воздуха.

Во всем описании описаны гидродинамические кавитационные реакторы и способы, использующие гидродинамические кавитационные реакторы. Как очевидно из вышесказанного, гидродинамические кавитационные реакторы, применяемые и описанные в настоящем документе, включают подмножество реакторов газожидкостного массообмена, которые совместимы со способами, описанными в настоящем документе, для того, чтобы получить и для функционализации твердых углеродных материалов.

Часть типового гидродинамического кавитационного реактора 100, применяемого в способах, описанных в настоящем документе, проиллюстрирована на ФИГ. 1. Гидродинамическая кавитационная реакция 100 является типовым реактором для получения твердого углеродного материала, согласно определенным вариантам осуществления в настоящем документе. Гидродинамический кавитационный реактор 100 включает предкавитационную камеру 102, внутренний объем которой соответствует зоне предкавитации 104. Предкавитационная камера 102 функционально связана с диафрагмой 106. Диафрагма 106 включает отверстие 110, имеющее зону отверстия 108. Диафрагма 106 функционально связана с кавитационной камерой 112. Внутренний объем кавитационной камеры 112 соответствует зоне кавитации 114. Функциональная связь между предкавитационной камерой 102, диафрагмой 106 и кавитационной камерой 112 позволяет жидкости 120, которая доставляется в зону предкавитации 104 из предкавитационной камеры 102, вытекать из зоны предкавитации 104 через зону отверстия 108 из отверстия 110 и в зону кавитации 114 из кавитационной камеры 112, как проиллюстрировано стрелками направления потока жидкости 122(I) и 122(II). Внезапное изменение давления, связанное с переходом жидкости 120 из зоны отверстия 108 в зону кавитации 114 является причиной образования кавитационных пузырей 118 в зоне нуклеации кавитационного пузыря 116. Зона кавитации 114, включая зону 116 нуклеации кавитационного пузыря, соответствует «зоне реакции» реактора. Зона кавитации 114 включает зону 116 нуклеации кавитационного пузыря. Например, кавитационные пузыри нуклеируют непосредственно на границе раздела между отверстием 110 и кавитационной камерой 112. Гидродинамический кавитационный реактор 100 дополнительно включает трубки доставки газа 124(I) и 124(II) для доставки газа 126 в зону кавитации 114, например, непосредственно в зону 116 нуклеации кавитационного пузыря. Стрелки направления потока газа 128(I) и 128(II) показывают направление доставки газа. Необязательно, реактор 100 включает одну трубку доставки газа или больше чем две трубки доставки газа. Необязательно, реактор 100 включает более одного отверстия 110. Гидродинамические кавитационные реакторы, применяемые в способах, описанных в настоящем документе, могут иметь другие конфигурации, включая особенности и конфигурации известных в данной области техники гидродинамических кавитационных реакторов.

В настоящий документ включен способ получения углеродных материалов in situ в кавитационном облаке гидродинамического кавитационного реактора, без исходного углеродного материала (например, графитового материала). Это достигается путем впрыска газа с задней стороны (например, выхода) кавитационного отверстия, где формируются кавитационные пузыри. Это является по существу аддитивным технологическим процессом, где существует образование и накопление нового углеродного материала. Тип, объем, размер и объем углеродного материала совместно определяются выбором растворителей, газа, время прогона, давления газа, потока жидкости и/или конфигурации отверстия. Реактор с подачей газа также может применяться с исходным графитовым материалом, чтобы сформировать дополнительные материалы или удалить физические дефекты из существующего графена. Процесс может также быть осуществлен с различными газами для функционализации графена, гексагонального бора или других углеродоподобных материалов. По сравнению с обычными процессами, способы, описанные в настоящем документе, могут занять минуты, или даже секунды, а не часы, являются низкозатратными, минимально используют нежелательные химикаты, используют меньше энергии и/или являются хорошо масштабируемыми.

Гидродинамические кавитационные реакторы создают кавитационное облако, которое является специальной окружающей средой для создания различных химических и физических реакций. Кавитационные облака возникают, когда возникает внезапное падение давления при прохождении жидкости под высоким давлением через ограничение, такое как отверстие. Кавитационные облака состоят из миллионов микропузырей, сформированных на выходе отверстия. Кавитационные пузыри проходят 3 стадии: 1) формирование пузыря, 2) очень быстрое сжатие пузыря, которое создает недолговечную локализованную горячую точку и 3) коллапс пузыря, который создает огромное количество энергии. Результаты эксперимента показали, что при коллапсе кавитационных пузырей, они дают внутренние температуры примерно 5000 K, давления примерно 14700 ф./кв.д., и скорости нагрева и скорости охлаждения выше 1010 K/с. Эти температуры и изменения давления длятся в течение менее нескольких наносекунд и происходят в миллионах местоположений в кавитационном облаке (см., например, Understanding Hydrodynamic Cavitation Report. Доступно из: https://www.researchgate.net/publication/314034417_Understanding_Hydrodynamic_Cavitation_Report; последний доступ 28 июня 2018). Эти интенсивные микрореакторные условия выполняются в условиях окружающей среды (соответствующих средним объемным температурам). В сравнении, получение такой среды с высокой температурой и высоким давлением в традиционном реакторе может быть очень дорогостоящим.

Было обнаружено, что, когда углеродная жидкость, отдельно или в комбинации с определенным углеродным газом, подвергается гидродинамической кавитации или сдвигу или комбинации гидродинамической кавитации и сдвига, углеродные материалы (например, графеноподобные материалы) формируются in situ. Способ включает, inter alia, впрыск высокоуглеродистого газа в высокоуглеродистую жидкость чрезвычайно близко к месту, где формируются кавитационные пузыри, что происходит на задней стороне отверстия. Как используется в настоящем документе, «задняя сторона» отверстия соответствует точке выхода отверстия относительно жидкости, текущей через него, или, другими словами, соответствует стороне отверстия, выходящей в кавитационную камеру или границу раздела между ними.

Это также возможно, но с намного меньшим количеством образования углерода, впрыскивать газ до отверстия (например, в предкавитационной камере, на/близко к границе раздела между отверстием и предкавитационной камерой, и/или у входа отверстия в кавитационную камеру). Не желая быть связанным с какой-либо конкретной теорией, считается, что концентрация газа в месте, где образуются кавитационные пузыри, максимизирует дисперсию газа в кавитационном облаке, что, в свою очередь усиливает образование углеродного материала.

Обычный способ введения газа в гидродинамический кавитационный реактор включает барботирование или впрыск газа до кавитационного отверстия, что создает захваченный (поглощенный или растворенный) газ. Было обнаружено, что традиционный способ введения газа до отверстия не задерживает адсорбированный газ. Прохождение жидкости через отверстие на самом деле удаляет газ из жидкости. Это доказано обычными гидродинамическими кавитационными реакторами, используемыми для дегазации жидкости.

Когда применяют традиционный способ барботирования ацетилена в этанол (т.е. перед кавитационным отверстием), формируется очень мало графеноподобного материала. Наоборот, когда газ впрыскивают непосредственно в кавитационное облако позади отверстия, формируется изобилие графена.

Более того, так как углеродные материалы создаются in situ, возможно устранить двухстадийный процесс создания графенового порошка с последующим редиспергированием порошка в жидкости. Например, углеродные пластинки могут быть сформированы и сохранены в жидкости (например, минеральном масле или пропиленгликоле).

Проблема, связанная с редиспергированием графенового порошка, состоит в том, что трудно создать коллоидную дисперсию традиционными способами. Это вызвано тем, что сам акт получения порошка графена создает ван-дер-ваальсово связывание между графеновыми пластинами, что вызывает перекладывание графеновых пластинок. Редиспергирование порошка в другой жидкости обычно требует создания сдвига, обработки ультразвуком или гидродинамической кавитации. Даже тогда трудно получить наноподобные коллоидные дисперсии. В областях применения, где графен нельзя оставлять в жидкости, содержащей углерод, графеновый материал может быть восстановлен или фильтрацией, или центрифугированием.

Изобретение далее проиллюстрировано следующими вариантам осуществления.

(Вариант осуществления 1) Способ получения твердого углеродного материала, включающий: доставку жидкости, содержащей, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение, в кавитационный реактор; формирование кавитационных пузырей в жидкости в зоне кавитации кавитационного реактора; и доставку газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение в зону кавитации кавитационного реактора; таким образом, получая углеродный материал в форме дисперсии, содержащей углеродный материал, диспергированный в жидкости.

(Вариант осуществления 2) Способ по варианту осуществления 1, где кавитационным реактором является гидродинамический кавитационный реактор, реактор со сдвигом, ультразвуковой кавитационный реактор или многофункциональный реактор.

(Вариант осуществления 3) Способ по варианту осуществления 2, где кавитационный реактор включает гидродинамическую кавитацию и сдвиг; или где кавитационный реактор включает ультразвуковую кавитацию и сдвиг.

(Вариант осуществления 4) Способ по варианту осуществления 2, где кавитационный реактор включает гидродинамическую кавитацию и реактор типа ротор-статор; или где кавитационный реактор включает ультразвуковую кавитацию и реактор типа ротор-статор.

(Вариант осуществления 5) Способ по варианту осуществления 2, где кавитационный реактор включает реактор типа ротор-статор, батарейный реактор со сдвигом, высокоскоростной реактор со сдвигом, гидродинамический кавитационный реактор, ситчатый реактор, вращающийся реактор с уплотненным слоем, вращающийся дисковый реактор, реактор со сталкивающимися струями, ультразвуковой реактор типа газ-твердое тело, ультразвуковой реактор, реактор с ультразвуковым зондом, реактор с мешалкой, обеспечивающий сдвиг или их комбинацию.

(Вариант осуществления 6) Способ по любому из вариантов осуществления 1-5, где доставка газа включает захват газа, впрыск газ или их комбинацию.

(Вариант осуществления 7) Способ по варианту осуществления 6, где газ захватывается в жидкости.

(Вариант осуществления 8) Способ по варианту осуществления 6, где газ впрыскивается в жидкость.

(Вариант осуществления 9) Способ по варианту осуществления 8, где газ барботируется в жидкость.

(Вариант осуществления 10) Способ по любому из вариантов осуществления 1-9, где газ доставляют непосредственно в зону кавитации во время стадии доставки газа.

(Вариант осуществления 11) Способ по любому из вариантов осуществления 1-10, где стадии формирования кавитационных пузырей и доставки газа выполняются одновременно или почти одновременно.

(Вариант осуществления 12) Способ по любому из вариантов осуществления 1-11, где во время стадии доставки газа, газ доставляют непосредственно или в 1 мм от области нуклеации кавитационных пузырей, где область нуклеации кавитационных пузырей соответствует нуклеации кавитационных пузырей в гидродинамической кавитационной реакции во время стадии формирования.

(Вариант осуществления 13) Способ по любому из вариантов осуществления 1-12, где стадия формирования включает формирование кавитационного облака, содержащего кавитационные пузыри в зоне кавитации реактора, где газ доставляют непосредственно внутри или в 1 мм от кавитационного облака.

(Вариант осуществления 14) Способ по любому из вариантов осуществления 1-13, где дисперсия сформирована в зоне кавитации реактора.

(Вариант осуществления 15) Способ по любому из вариантов осуществления 1-14, где стадия формирования включает формирование кавитационного облака, содержащего кавитационные пузыри; где углеродный материал сформирован в кавитационном облаке.

(Вариант осуществления 16) Способ по любому из вариантов осуществления 1-15, где жидкость по существу не содержит углеродный материал во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей.

(Вариант осуществления 17) Способ по любому из вариантов осуществления 1-16, где жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей.

(Вариант осуществления 18) Способ по любому из вариантов осуществления 1-17, где формирование углеродного материала происходит в течение 1 минуты после формирования кавитационных пузырей в жидкости.

(Вариант осуществления 19) Способ по любому из вариантов осуществления 1-18, где нуклеация углеродного материала происходит в течение 1 минуты после нуклеации кавитационных пузырей в пределах 0,3 мм области нуклеации кавитационных пузырей, в то время как газ доставляют в зону кавитации.

(Вариант осуществления 20) Способ по любому из вариантов осуществления 1-19, где кавитационный реактор включает гидродинамический кавитационный реактор, имеющий зону предкавитаци и зону отверстия, где зона отверстия находится между зоной предкавитации и зоной кавитации; где зона отверстия включает, по меньшей мере, одно отверстие, такое, что жидкость течет от зоны предкавитации в зону кавитации, по меньшей мере, через одно отверстие; где каждое из, по меньшей мере, одного отверстия характеризуется диаметром отверстия, который меньше, чем диаметр зоны предкавитации.

(Вариант осуществления 21) Способ по варианту осуществления 20, где газ доставляют непосредственно к кавитационному концу, по меньшей мере, одного отверстия или в 1 мм от конца, по меньшей мере, одного отверстия; где кавитационный конец, по меньшей мере, одного отверстия является концом, по меньшей мере, одного отверстия, ближайшего к зоне кавитации кавитационного реактора.

(Вариант осуществления 22) Способ по любому из вариантов осуществления 1-21, дополнительно включающий стадию завершения доставки газа в зону кавитации; где размерная характеристика углеродного материала увеличивается после стадии завершения.

(Вариант осуществления 23) Способ по варианту осуществления 22, дополнительно включающий сохранение дисперсии в зоне кавитации в течение времени, меньше или равного 60 минутам после стадии завершения и при отсутствии доставки газа в зону кавитации; где размерная характеристика углеродного материала увеличивается во время стадии сохранения.

(Вариант осуществления 24) Способ по варианту осуществления 23, где, во время стадии сохранения дисперсии в зоне кавитации и после стадии завершения и при отсутствии доставки газа в зону кавитации, способ дополнительно включает стадию дегазации дисперсии для уменьшения концентрации газа, захваченного в ней.

(Вариант осуществления 25) Способ по любому из вариантов осуществления 22-24, где концентрация углеродного материала в дисперсии является по существу постоянной после стадии завершения и при отсутствии доставки газа в зону кавитации.

(Вариант осуществления 26) Способ по любому из вариантов осуществления 1-25, дополнительно включающий восстановление твердого углеродного материала из дисперсии в твердой или порошковой форме, где стадия восстановления включает фильтрацию, вакуумную фильтрацию, выпаривание растворителя, центрифугирование или любую их комбинацию.

(Вариант осуществления 27) Способ по любому из вариантов осуществления 1-26, где концентрация, по меньшей мере, одного жидкого органического соединения в жидкости выбрана из диапазона от 1% масс. до 100% масс.

(Вариант осуществления 28) Способ по варианту осуществления 27, где концентрация твердого углеродного материала в дисперсии составляет от 0,0025% масс. до 7% масс.

(Вариант осуществления 29) Способ по любому из вариантов осуществления 1-28, где, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение выбрано из группы, состоящей из мономера, олигомера, форполимера, полимера, органического растворителя и любой их комбинации.

(Вариант осуществления 30) Способ по любому из вариантов осуществления 1-29, где, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение выбрано из группы, состоящей из метанола, этанола, изопропилового спирта, метилпирролидона, д-циклопентадиена, гексана, бензола, толуола, гептана, ксилола, диметилсульфоксида, минерального масла, машинного масла, машинного масла MOBILE 1™, машинного масла Syn 530, AMSOIL™, NonSyn, QUAKER STATE™ 530, базового масла, гидрогенизированного касторового масла, трансмиссионного масла, редукторного масла, растительного масла, углеводородной основы бурового раствора, масла с присадками, масла без присадок (например, высокоуглеродистого масла), керосина, дизельного топлива, этиленгликоля, пропиленгликоля, диэтиленгликоля, триэтиламина, триметиламина, пентана, циклопентана, циклогексана, 1,4-диоксана, хлороформа, диэтилового эфира, дихлорметана, тетрагидрофурана, этилацетата, ацетона, диметилформамида, ацетонитрила, нитрометана, карбоната пропилена, муравьиной кислоты, бутанола, пропанола, уксусной кислоты, октадецена, олеиновой кислоты, олеиламина, октана, диэтиленгликолевого эфира, 1,2-дихлорбензола, метилацетата, тетрахлорэтилена, дифенилтиомочевины, гексафтор-2-пропанола, коричной кислоты, триметиламина, бензолтиола, этантиола, этандитиола, 4-аминобензолтиола, акриловой кислоты, сероуглерода, 1,2-дихлорбензола, N-метил-2-пирролидона и любой их комбинации.

(Вариант осуществления 31) Способ по любому из вариантов осуществления 1-30, где газообразное органическое соединение выбрано из группы, состоящей из метана, ацетилена, этилена, пропана, 1,3-бутадиена, бутана и любой их композиции.

(Вариант осуществления 32) Способ по любому из вариантов осуществления 1-31, где жидкость характеризуется объемной температурой меньше чем 400°C.

(Вариант осуществления 33) Способ по любому из вариантов осуществления 1-32, где газ характеризуется объемной температурой меньше чем 400°C.

(Вариант осуществления 34) Способ по любому из вариантов осуществления 1-33, где жидкость характеризуется скоростью потока, выбранной из диапазона от 5 л/мин до 200 л/мин в зоне кавитации кавитационного реактора.

(Вариант осуществления 35) Способ по любому из вариантов осуществления 1-34, где газ впрыскивается под давлением, характеризуемым давлением, выбранным из диапазона от 2 ф./кв.д. до 150 ф./кв.д. в зоне кавитации кавитационного реактора.

(Вариант осуществления 36) Способ по любому из вариантов осуществления 1-35, где давление в зоне кавитации выбрано из диапазона от 10 ф./кв.д. до 5000 ф./кв.д.

(Вариант осуществления 37) Способ по любому из вариантов осуществления 1-36, где кавитационный реактор включает ротор-статор и где ротор-статор работает со скоростью вращения, выбранной из диапазона от 200 об/мин до 14000 об/мин в зоне кавитации кавитационного реактора.

(Вариант осуществления 38) Способ по любому из вариантов осуществления 1-37, где время пребывания жидкости в кавитационном реакторе выбрано из диапазона от 0,05 до 20 секунд.

(Вариант осуществления 40) Способ по любому из вариантов осуществления 1-38, где способ выполняется в течение времени, выбранного из диапазона 1-60 минут.

(Вариант осуществления 41) Способ по любому из вариантов осуществления 1-39, где кавитационный реактор включает ультразвуковой реактор, и где ультразвуковой реактор работает при частоте обработки ультразвуком 20-300 кГц и амплитудном диапазоне 10-100%.

(Вариант осуществления 42) Способ по любому из вариантов осуществления 1-40, где углеродный материал не получают, если способ выполняется без стадии доставки газа при в другом эквивалентных стадиях и условиях.

(Вариант осуществления 43) Способ по любому из вариантов осуществления 1-41, где дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуются Дзета-потенциалом, больше, чем +40 мВ или меньше чем -160 мВ.

(Вариант осуществления 44) Способ по любому из вариантов осуществления 1-42, где дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуются Дзета-потенциалом, больше, чем +40 мВ или меньше чем -40 мВ.

(Вариант осуществления 45) Способ по любому из вариантов осуществления 1-43, где концентрация углерода (атомная концентрация) в твердом углеродном материале в дисперсии выбрана из диапазона 92-99% масс.

(Вариант осуществления 45) Способ по любому из вариантов осуществления 1-44, где дисперсия является коллоидом, суспензией или их комбинацией.

(Вариант осуществления 46) Способ по любому из вариантов осуществления 1-45, где углеродный материал содержит графен, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, композит, содержащий графен или любую их комбинацию.

(Вариант осуществления 47) Способ по варианту осуществления 46, где соединение включает серу и графен или включает гексагональный нитрид бора и графен.

(Вариант осуществления 48) Способ по любому из вариантов осуществления 1-47, где углеродный материал содержит графен.

(Вариант осуществления 49) Способ по варианту осуществления 48, где углеродный материал является графеном.

(Вариант осуществления 50) Способ по любому из вариантов осуществления 1-49, где углеродный материал содержит нанокомпозит графенового полимера.

(Вариант осуществления 51) Способ по любому из вариантов осуществления 46-50, где графеном является морщинистый графен, раскрошенный графен, графен с отверстиями или любая их комбинация.

(Вариант осуществления 52) Способ по любому из вариантов осуществления 1-51, где углеродный материал характеризуется содержанием кислорода 7% атом. или меньше.

(Вариант осуществления 53) Способ по любому из вариантов осуществления 1-52, дополнительно включающий использование углеродного материала или дисперсии для уменьшения трения.

(Вариант осуществления 54) Способ по варианту осуществления 53, где дисперсия уменьшает коэффициент трения, по меньшей мере, на 5%.

(Вариант осуществления 55) Способ по варианту осуществления 53 или 54, где дисперсию используют для уменьшения трения, не убирая или изолируя углеродный материал из дисперсии.

(Вариант осуществления 56) Способ по любому из вариантов осуществления 1-55, дополнительно включающий использование твердого углеродного материала или дисперсии для усиления анода батареи и/или катода батареи.

(Вариант осуществления 57) Способ по любому из вариантов осуществления 1-56, дополнительно включающий функционализацию углеродного материала для получения функционализированного углеродного материала.

(Вариант осуществления 58) Способ по любому из вариантов осуществления 1-57, где дисперсия является первой дисперсией, углеродный материал, является материалом предшественником, и кавитационный реактор является первым кавитационным реактором; где способ дополнительно включает: доставку первой дисперсии во второй кавитационный реактор; формирование кавитационных пузырей в первой дисперсии в зоне кавитации второго кавитационного реактора; и доставку газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение, непосредственно в зону кавитации второго кавитационного реактора; таким образом, превращая материал предшественник во второй углеродный материал, при этом второй углеродный материал в форме второй дисперсии включает второй углеродный материал, диспергированный в жидкости; где материал предшественник и второй углеродный материал отличаются.

(Вариант осуществления 59) Способ по варианту осуществления 58, где первый гидродинамический кавитационный реактор и второй гидродинамический кавитационный реактор являются одинаковыми.

(Вариант осуществления 60) Способ функционализации материала, диспергированного в жидкости, где материал диспергирован в жидкости, являющейся первой дисперсией, где способ включает стадии: доставки первой дисперсии в кавитационный реактор; где жидкость содержит, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение; формирование кавитационных пузырей в жидкости в зоне кавитации кавитационного реактора; и доставки газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение, непосредственно в зону кавитации кавитационного реактора; таким образом, функционализируя материал для формирования второй дисперсии, где вторая дисперсия содержит функционализированный материал, диспергированный в жидкости.

(Вариант осуществления 61) Способ по варианту осуществления 60, где функционализация материала включает химическую, физическую или и химическую и физическую функционализацию материала.

(Вариант осуществления 62), Способ по варианту осуществления 60 или варианту осуществления 61, где материал содержит графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, композит, содержащий графен, катионный графен, или любую их комбинацию.

(Вариант осуществления 63) Способ по любому из вариантов осуществления 60-62, где функционализированный материал содержит оксид графена.

(Вариант осуществления 64) Способ по любому из вариантов осуществления 60-63, где функционализация включает добавление атомов кислорода к материалу, удаление атомов кислорода из материала, добавление атомов азота к материалу, добавление атомов серы к материалу или их комбинацию.

(Вариант осуществления 65) Способ по любому из вариантов осуществления 60-64, где газ включает кислород, водяной пар, водород, азот, диоксид серы, CO₂, или любую их комбинацию.

(Вариант осуществления 66) Функционализированный материал, полученный способом по любому из вариантов осуществления 60-65.

Изобретение далее проиллюстрировано следующими дополнительными вариантами осуществления:

(Вариант осуществления 101) Способ получения твердого углеродного материала, включающий: доставку жидкости, содержащей, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение, в зону реакции реактора; доставку газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение, в зону реакции реактора; и индуцирование химической реакции, по меньшей мере, между одним жидким органическим соединением и, по меньшей мере, одним газообразным органическим соединением, где: химическая реакция происходит в зоне реакции реактора; твердый углеродный материал получен через реакцию; твердый углеродный материал получен во время реакции в форме дисперсии, включающей твердый углеродный материал, диспергированный в жидкости; и химическая реакция является гомогенной реакцией, включающей гомогенную нуклеацию твердого углеродного материала в зоне реакции реактора.

(Вариант осуществления 102) Способ по варианту осуществления 101, где химическая реакция включает газожидкостный массообмен.

(Вариант осуществления 103) Способ по любому из вариантов осуществления 101-102, где состав газа отличается от состава жидкости.

(Вариант осуществления 104) Способ по любому из вариантов осуществления 101-103, где состав по меньшей мере, одного газообразного комплекса отличается от состава по меньшей мере, одного жидкого органического соединения.

(Вариант осуществления 105) Способ по любому из вариантов осуществления 101-104, где химическая реакция не происходит на или в катализаторе.

(Вариант осуществления 106) Способ по любому из вариантов осуществления 101-105, где способ не включает гетерогенную нуклеацию кристалла твердого углеродного материала на твердой подложке.

(Вариант осуществления 107) Способ по любому из вариантов осуществления 101-106, где стадия доставки жидкости выполняется через первый входной поток в зону реакции, и стадия доставки газа, выполняется через второй входной поток в зону реакции; где пути первого потока и второго входного потока отличаются и являются физически отдельными.

(Вариант осуществления 108) Способ по любому из вариантов осуществления 101-107, где стадия доставки жидкости и стадия доставки газа выполняются одновременно.

(Вариант осуществления 109), Способ по любому из вариантов осуществления 101-107, где стадия доставки газа выполняется после доставки жидкости в зону реакции.

(Вариант осуществления 110) Способ по любому из вариантов осуществления 101-109, где твердый углеродный материал остается диспергированным в жидкости во время нахождения в зоне реакции.

(Вариант осуществления 111) Способ по любому из вариантов осуществления 101-110, где жидкость по существу не содержит твердый углеродный материал во время стадии доставки жидкости и до стадий доставки газа и индуцирования химической реакции.

(Вариант осуществления 112) Способ по любому из вариантов осуществления 101-111, где жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем во время стадии доставки жидкости и до стадий доставки газа и индуцирования химической реакции.

(Вариант осуществления 113) Способ по любому из вариантов осуществления 101-112, где твердый углеродный материал сформирован только в зоне реакции реактора.

(Вариант осуществления 114) Способ по любому из вариантов осуществления 101-113, где твердый углеродный материал не получают, когда способ выполняется без стадии осуществления доставки газа при в другом эквивалентных стадиях и условиях.

(Вариант осуществления 115) Способ по любому из вариантов осуществления 101-114, где доставка газа включает захват газа, впрыск газа или их комбинацию.

(Вариант осуществления 116) Способ по варианту осуществления 115, где газ захватывается в жидкости под давлением.

(Вариант осуществления 117) Способ по варианту осуществления 115, где газ впрыскивается в жидкость.

(Вариант осуществления 118) Способ по варианту осуществления 115, где газ барботируется в жидкость.

(Вариант осуществления 119) Способ по любому из вариантов осуществления 101-18, где газ доставляют непосредственно в зону реакции во время стадии доставки газа.

(Вариант осуществления 120) Способ по любому из вариантов осуществления 101-119, где стадии доставки газа и индуцирования химической реакции выполняются одновременно или почти одновременно.

(Вариант осуществления 121) Способ по любому из вариантов осуществления 101-120, где по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение и, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение одновременно присутствуют в зоне реакции.

(Вариант осуществления 122) Способ по любому из вариантов осуществления 101-121, где реактор включает реактор с механическим перемешиванием, турбинный реактор, монолитный реактор, пенный реактор, реактор типа ротор-статор, батарейный реактор со сдвигом, высокоскоростной реактор со сдвигом (например, Charles Ross HSM-700), гидродинамический кавитационный реактор, ситчатый реактор, трубчатый вращающийся реактор, вращающийся реактор с уплотненным слоем, вращающийся реактор типа гармошки, реактор с псевдоожиженным слоем, реактор Тейлора-Куетта, двухтрубный реактор, вращающийся дисковый реактор, реактор со сталкивающимися струями, ультразвуковой реактор типа газ-твердое тело, ультразвуковой реактор, реактор с ультразвуковым зондом, микроволновый реактор, реактор ударной волны (например, SHOCKWAVE POWER™ Reactor (SPR)), реактор с непрерывным потоком (например, RAPTOR™ реактор), реактор с мешалкой, обеспечивающей сдвиг или их комбинацию.

(Вариант осуществления 123) Способ по любому из вариантов осуществления 101-122, где стадия индуцирования химической реакции включает индуцирование силы сдвига в жидкости.

(Вариант осуществления 124) Способ по варианту осуществления 123, где реактор является реактором с механическим перемешиванием, включающим мешалку; и где мешалка вызывает силу сдвига в жидкости.

(Вариант осуществления 125) Способ по варианту осуществления 124, где мешалка выбрана из группы, состоящей из газ-индуцирующей мешалки, мешалки/турбины Rushton, монолитной мешалки, спиральной мешалки, мешалки с пластинчатыми или радиальными плоскими лопастями, аксионного пропеллера, угловых лопастей, турбинной вихревой мешалки, нескольких мешалок на одном стержне и любой их комбинации.

(Вариант осуществления 126) Способ по варианту осуществления 125, где мешалкой является газ-индуцирующая мешалка.

(Вариант осуществления 127) Способ по любому из вариантов осуществления 124-126, где мешалка характеризуется скоростью вращения, выбранной из диапазона 200-14000 об/мин.

(Вариант осуществления 128) Способ по любому из вариантов осуществления 124-127, где стадия индуцирования химической реакции включает перемешивание или смешивание жидкости и газа в зоне реакции.

(Вариант осуществления 129) Способ по любому из вариантов осуществления 123-128, где давление в зоне реактора выбрано из диапазона от 6 бар (примерно 87 ф./кв.д.) до 150 бар (примерно 2175 ф./кв.д.).

(Вариант осуществления 130) Способ по любому из вариантов осуществления 123-129, где температура в зоне реакции выбрана из диапазона от 20°C до 250°C.

(Вариант осуществления 131) Способ по любому из вариантов осуществления 101-122, где: реактор является кавитационным реактором; реакционная зона является кавитационной зоной кавитационного реактора; и способ включает формирование кавитационных пузырей в жидкости в зоне кавитации кавитационного реактора.

(Вариант осуществления 132) Способ по варианту осуществления 131, где кавитационный реактор является гидродинамическим кавитационным реактором, реактором со сдвигом, ультразвуковым кавитационным реактором или многофункциональным реактором.

(Вариант осуществления 133) Способ по варианту осуществления 132, где кавитационный реактор включает гидродинамическую кавитацию и сдвиг; или где кавитационный реактор включает ультразвуковую кавитацию и сдвиг.

(Вариант осуществления 134) Способ по варианту осуществления 132, где кавитационный реактор включает гидродинамическую кавитацию и реактор типа ротор-статор; или где кавитационный реактор включает ультразвуковую кавитацию и реактор типа ротор-статор.

(Вариант осуществления 135) Способ по варианту осуществления 132, где кавитационный реактор включает реактор типа ротор-статор, батарейный реактор со сдвигом, высокоскоростной реактор со сдвигом, гидродинамический кавитационный реактор, ситчатый реактор, вращающийся реактор с уплотненным слоем, вращающийся дисковый реактор, реактор со сталкивающимися струями, ультразвуковой реактор типа газ-твердое тело, ультразвуковой реактор, реактор с ультразвуковым зондом, микроволновый реактор, реактор с ударной волной, реактор с мешалкой, обеспечивающей сдвиг или их комбинацию.

(Вариант осуществления 136) Способ по любому из вариантов осуществления 131-135, где газ доставляют непосредственно в зону кавитации во время стадии доставки газа.

(Вариант осуществления 137) Способ по любому из вариантов осуществления 131-136, где стадии формирования кавитационных пузырей и доставки газа выполняются одновременно или почти одновременно.

(Вариант осуществления 138) Способ по любому из вариантов осуществления 131-137, где во время стадии доставки газа, газ доставляют непосредственно или в 1 мм от области нуклеации кавитационных пузырей, где область нуклеации кавитационных пузырей соответствует нуклеации кавитационных пузырей в гидродинамической кавитационной реакции во время стадии формирования.

(Вариант осуществления 139) Способ по любому из вариантов осуществления 131-138, где стадия формирования включает формирование кавитационного облака, включающего кавитационные пузыри в зоне кавитации реактора, где газ доставляют непосредственно внутри или в 1 мм от кавитационного облака.

(Вариант осуществления 140) Способ по любому из вариантов осуществления 131-139, где стадия формирования включает формирование кавитационного облака, включающего кавитационные пузыри; где углеродный материал сформирован в кавитационном облаке.

(Вариант осуществления 141) Способ по любому из вариантов осуществления 131-140, где жидкость по существу не содержит углеродный материал во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей.

(Вариант осуществления 142) Способ по любому из вариантов осуществления 131-141, где жидкость по существу не содержит твердые частицы и по существу не является коллоидом, суспензией или золем во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей.

(Вариант осуществления 143) Способ по любому из вариантов осуществления 131-142, где формирование углеродного материала происходит в течение 1 минуты после формирования кавитационных пузырей в жидкости.

(Вариант осуществления 145) Способ по любому из вариантов осуществления 131-143, где нуклеация углеродного материала происходит в течение 1 минуты после нуклеации кристалла кавитационных пузырей в пределах 0,3 мм области нуклеации кавитационных пузырей, в то время как газ доставляют в зону кавитации.

(Вариант осуществления 146) Способ по любому из вариантов осуществления 131-144, где кавитационный реактор включает гидродинамический кавитационный реактор, имеющий зону предкавитаци и зону отверстия, где зона отверстия находится между зоной предкавитации и зоной кавитации; зона отверстия включает, по меньшей мере, одно отверстие, такое, что жидкость течет от зоны предкавитации в зону кавитации, по меньшей мере, через одно отверстие; где каждое из, по меньшей мере, одного отверстия характеризуется диаметром отверстия, который меньше, чем диаметр зоны предкавитации.

(Вариант осуществления 146) Способ по варианту осуществления 145, где газ доставляют непосредственно к кавитационному концу, по меньшей мере, одного отверстия или в 1 мм от конца, по меньшей мере, одного отверстия; где кавитационный конец, по меньшей мере, одного отверстия, является концом, по меньшей мере, одного отверстия, ближайшего к зоне кавитации кавитационного реактора.

(Вариант осуществления 147) Способ по любому из вариантов осуществления 131-146, дополнительно включающий стадию завершения доставки газа в зону кавитации; где размерная характеристика углеродного материала увеличивается после стадии завершения.

(Вариант осуществления 148) Способ по варианту осуществления 147, дополнительно включающий сохранение дисперсии в зоне кавитации в течение времени меньше чем или равном 60 минутам после стадии завершения и при отсутствии доставки газа в зону кавитации; где размерная характеристика углеродного материала увеличивается во время стадии сохранения.

(Вариант осуществления 149) Способ по варианту осуществления 148, где, во время стадии сохранения дисперсии в зоне кавитации и после стадии завершения и при отсутствии доставки газа в зону кавитации, способ дополнительно включает стадию дегазации дисперсии для уменьшения концентрации газа, захваченного в ней.

(Вариант осуществления 150) Способ по любому из вариантов осуществления 147-149, где концентрация углеродного материала в дисперсии является по существу постоянной после стадии завершения и при отсутствии доставки газа в зону кавитации.

(Вариант осуществления 151) Способ по любому из вариантов осуществления 101-50, далее включающий восстановление твердого углеродного материала из дисперсии в твердой или порошковой форме, где стадия восстановления включает фильтрацию, вакуумную фильтрацию, выпаривание растворителя, центрифугирование или любую их комбинацию.

(Вариант осуществления 152) Способ по любому из вариантов осуществления 101-121, где концентрация, по меньшей мере, одного жидкого органического соединения в жидкости выбрана из диапазона от 0,01% масс. до 100% масс.

(Вариант осуществления 153) Способ по любому из вариантов осуществления 101-152, где, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение выбрано из группы, состоящей из мономера, олигомера, форполимера, полимера, органического растворителя и любой их комбинации.

(Вариант осуществления 154) Способ по любому из вариантов осуществления 101-153, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение выбрано из группы, состоящей из метанола, этанола, изопропилового спирта, метилпирролидона, д-циклопентадиена, гексана, бензола, толуола, гептана, ксилола, диметилсульфоксида, минерального масла, машинного масла, машинного масла MOBILE 1™, машинного масла Syn 530, AMSOIL™, NonSyn, QUAKER STATE™ 530, базового масла, гидрогенизированного касторового масла, трансмиссионного масла, редукторного масла, растительного масла, углеводородной основы бурового раствора, масла с присадками, масла без присадок (например, высокоуглеродистого масла), керосина, дизельного топлива, этиленгликоля, пропиленгликоля, диэтиленгликоля, триэтиламина, триметиламина, пентана, циклопентана, циклогексана, 1,4-диоксана, хлороформа, диэтилового эфира, дихлорметана, тетрагидрофурана, этилацетата, ацетона, диметилформамида, ацетонитрила, нитрометана, карбоната пропилена, муравьиной кислоты, бутанола, пропанола, уксусной кислоты, октадецена, олеиновой кислоты, олеиламина, октана, диэтиленгликолевого эфира, 1,2-дихлорбензола, метилацетата, тетрахлорэтилена, дифенилтиомочевины, гексафтор-2-пропанола, коричной кислоты, триметиламина, бензолтиола, этантиола, этандитиола, 4-аминобензолтиола, акриловой кислоты, сероуглерода, 1,2-дихлорбензола, N-метил-2-пирролидона и любой их комбинации.

(Вариант осуществления 155) Способ по любому из вариантов осуществления 101-154, где жидкость включает воду.

(Вариант осуществления 156) Способ по любому из вариантов осуществления, 101-155, где газообразное органическое соединение выбрано из группы, состоящей из метана, ацетилена, этилена, пропана, 1,3-бутадиена, бутана и любой их комбинации.

(Вариант осуществления 157) Способ по любому из вариантов осуществления 101-156, где жидкость характеризуется объемной температурой меньше чем 400°C.

(Вариант осуществления 158) Способ по любому из вариантов осуществления 101-157, где жидкость характеризуется объемной температурой 20°C или больше.

(Вариант осуществления 159) Способ по любому из вариантов осуществления 101-158, где газ характеризуется объемной температурой меньше чем 400°C.

(Вариант осуществления 160) Способ по любому из вариантов осуществления 101-159, где газ характеризуется объемной температурой 20°C или больше.

(Вариант осуществления 161) Способ по любому из вариантов осуществления 101-160, где жидкость характеризуется скоростью потока, выбранной из диапазона от 5 л/мин до 200 л/мин в зоне кавитации кавитационного реактора.

(Вариант осуществления 162) Способ по любому из вариантов осуществления 101-161, где газ впрыскивается под давлением, охарактеризованным давлением, выбранным из диапазона от 2 ф./кв.д. до 150 ф./кв.д. в зоне реакции реактора.

(Вариант осуществления 163) Способ по любому из вариантов осуществления 101-162, где давление в зоне реакции выбрано из диапазона от 10 ф./кв.д. до 5000 ф./кв.д.

(Вариант осуществления 164) Способ по любому из вариантов осуществления 101-163, где реактор включает ротор-статор и где ротор-статор работает со скоростью вращения, выбранной из диапазона от 200 об/мин до 14000 об/мин в зоне реакции реактора.

(Вариант осуществления 165) Способ по любому из вариантов осуществления 101-064, где время пребывания жидкости в зоне реакции выбрано из диапазона 1-60 минут.

(Вариант осуществления 166) Способ по любому из вариантов осуществления 101-165, где способ выполняется в течение времени, выбранного из диапазона 1-60 минут.

(Вариант осуществления 167) Способ по любому из вариантов осуществления 101-166, где реактор включает ультразвуковой реактор и где ультразвуковой реактор работает при частоте обработки ультразвуком 20-300 кГц и амплитудном диапазоне 10-100%.

(Вариант осуществления 168) Способ по любому из вариантов осуществления 101-167, где дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуются Дзета-потенциалом, больше, чем +40 мВ или меньше чем -160 мВ.

(Вариант осуществления 169) Способ по любому из вариантов осуществления 101-168, где дисперсия или углеродный материал в дисперсии характеризуются Дзета-потенциалом, больше, чем +40 мВ или меньше чем -40 мВ.

(Вариант осуществления 170) Способ по любому из вариантов осуществления 101-169, где концентрация твердого углеродного материала в дисперсии составляет от 0,0025% масс. до 7% масс.

(Вариант осуществления 171) Способ по любому из вариантов осуществления 101-170, где дисперсия является коллоидом, суспензией, золем или их комбинацией.

(Вариант осуществления 172) Способ по любому из вариантов осуществления 101-171, где твердый углеродный материал содержит графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные пластинки, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, композит, содержащий графен, катионный графен или любую их комбинацию.

(Вариант осуществления 173) Способ по варианту осуществления 172, где соединение включает серу и графен или включает гексагональный нитрид бора и графен.

(Вариант осуществления 174) Способ по любому из вариантов осуществления 101-172, где углеродный материал включает графен или графеноподобный материал.

(Вариант осуществления 175) Способ по варианту осуществления 172, где углеродный материал является графеном или графеноподобным материалом.

(Вариант осуществления 176) Способ по любому из вариантов осуществления 101-172, углеродный материал, включающий нанокомпозит графенового полимера.

(Вариант осуществления 177), Способ по любому из вариантов осуществления 172-176, где графеном является морщинистый графен, раскрошенный графен, графен с отверстиями или любая их комбинация.

(Вариант осуществления 178) Способ по любому из вариантов осуществления 101-177, где углеродный материал характеризуется содержанием кислорода меньше чем 7% атом.

(Вариант осуществления 179) Способ по любому из вариантов осуществления 101-178, где дисперсия характеризуется коэффициентом трения, уменьшающимся, по меньшей мере, на 5% относительно той же жидкости без твердого углеродного материала.

(Вариант осуществления 180) Способ по любому из вариантов осуществления 101-179, где дисперсия характеризуется следом изнашивания, уменьшающимся, по меньшей мере, на 3% относительно той же жидкости без твердого углеродного материала.

(Вариант осуществления 181) Способ по любому из вариантов осуществления 101-180, дополнительно включающий использование твердого углеродного материала или дисперсии для уменьшения трения.

(Вариант осуществления 182) Способ по любому из вариантов осуществления 101-181, включающий уменьшение трения in situ.

(Вариант осуществления 183) Способ по варианту осуществления 181 или 182, где дисперсию используют для уменьшения трения, не убирая или изолируя твердый углеродный материал из дисперсии.

(Вариант осуществления 184) Способ по любому из вариантов осуществления 101-180, дополнительно включающий использование твердого углеродного материала или дисперсии для усиления анода батареи и/или катода батареи.

(Вариант осуществления 185) Способ по любому из вариантов осуществления 101-184, дополнительно включающий функционализацию твердого углеродного материала для получения функционализированного твердого углеродного материала.

(Вариант осуществления 186) Способ по любому из вариантов осуществления 101-185, где дисперсия является первой дисперсией, химическая реакция, является первой химической реакцией, твердый углеродный материал является материалом предшественником, газ является первым газом, и реактор является первым реактором; где способ дополнительно включает: доставку первой дисперсии во второй реактор; доставку второго газа, содержащего, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение непосредственно в зону реакции второго реактора; и индуцирование второй химической реакции в зоне реакции второго реактора; где: вторая химическая реакция превращает материал предшественник во второй твердый углеродный материал; второй углеродный материал диспергирован в жидкости; и материал предшественник и второй углеродный материал отличаются.

(Вариант осуществления 187), Способ по варианту осуществления 186, где второй реактор является кавитационным реактором и стадия индуцирования включает формирование кавитационных пузырей в первой дисперсии в зоне реакции второго реактора.

(Вариант осуществления 188) Способ по любому из вариантов осуществления 186-187, где первый реактор и второй реактор являются одинаковыми.

(Вариант осуществления 189) Способ функционализации первого твердого углеродного материала, диспергированного в жидкости, где первый твердый углеродный материал-предшественник диспергирован в жидкости, являющейся первой дисперсией, где способ включает стадии: доставки первой дисперсии в зону реакции реактора; где жидкость содержит, по меньшей мере, одно жидкое органическое соединение; доставку газа в зону реакции реактора; и индуцирование функционализационной химической реакции, где: функционализационная химическая реакция формирует второй углеродный материал из первого углеродного материала; функционализационная химическая реакция происходит в зоне реакции реактора; и второй твердый углеродный материал получен во время реакции в форме второй дисперсии, где вторая дисперсия включает второй твердый углеродный материал, диспергированный в жидкости.

(Вариант осуществления 190) Способ по варианту осуществления 189, где функционализационная химическая реакция включает химическую, физическую или и химическую и физическую функционализацию первого твердого углеродного материала.

(Вариант осуществления 191) Способ по варианту осуществления 189 или варианту осуществления 190, где первый твердый углеродный материал содержит оксид графена, графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные пластинки, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, композит, содержащий графен, катионный графен или любую их комбинацию.

(Вариант осуществления 192) Способ по любому из вариантов осуществления 189-191, где второй твердый углеродный материал содержит, восстановленный оксид графена, оксид графена, окисленный по краю графен, графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные пластинки, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, композит, содержащий графен, катионный графен или любую их комбинацию.

(Вариант осуществления 193) Способ по любому из вариантов осуществления 189-192, где первый твердый углеродный материал содержит оксид графена и второй твердый углеродный материал включает восстановленный оксид графена.

(Вариант осуществления 194) Способ по варианту осуществления 193, где атомная доля кислорода во втором углеродном материале, по меньшей мере, на 50% меньше, чем атомная доля кислорода в первом углеродном материале.

(Вариант осуществления 195) Способ по любому из вариантов осуществления 189-192, где функционализационная химическая реакция включает окисление первого твердого углеродного материала таким образом, что второй твердый углеродный материал растворим в воде.

(Вариант осуществления 196) Способ вариантов осуществления 195, где жидкость включает воду и вторую дисперсию, является водной дисперсией второго углеродного материала в воде.

(Вариант осуществления 197) Способ по любому из вариантов осуществления 189-196, где функционализационная химическая реакция включает добавление атомов кислорода к первому твердому углеродному материалу, удаление атомов кислорода из первого твердого углеродного материала, добавление атомов углерода к первому твердому углеродному материалу, добавление атомов азота к первому твердому углеродному материалу, добавление атомов серы к первому твердому углеродному материалу или их комбинацию.

(Вариант осуществления 198) Способ по любому из вариантов осуществления 189-197, где газ включает кислород, водяной пар, водород, азот, диоксид серы, CO₂, озон или любую их комбинацию.

(Вариант осуществления 199) Способ по любому из вариантов осуществления 189-198, где: реактор является кавитационным реактором, и зона реакции является зоной кавитации; способ включает формирование кавитационных пузырей в жидкости в зоне кавитации кавитационного реактора; и газ впрыскивается непосредственно в зону кавитации.

(Вариант осуществления 200) Способ по любому из вариантов осуществления 189-199, где первый твердый углеродный материал химически не связан с твердой подложкой во время функционализационной химической реакции.

(Вариант осуществления 201) Способ по любому из вариантов осуществления 1-200, где газ содержит, по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение.

(Вариант осуществления 202) Способ по любому из вариантов осуществления 189-200, где газообразное органическое соединение выбрано из группы, состоящей из алкана, алкена, алкина, циклоалкана, гетероциклоалкана, арена, гетероарена и их комбинации, где алкан, алкен, алкин, циклоалкан, гетероциклоалкан, арен или гетероарен необязательно замещен одним или несколькими заместителями.

(Вариант осуществления 203) Способ по любому из вариантов осуществления 189-202, где по меньшей мере, одно газообразное органическое соединение выбрано из группы, состоящей из метана, ацетилена, этилена, пропана, 1,3-бутадиена, бутана и любой их комбинации.

(Вариант осуществления 204) Функционализированный материал, полученный способом по любому из вариантов осуществления 189-203.

Следующие примеры дополнительно иллюстрируют изобретение, но, конечно, не должны быть истолкованы как ограничивающие его объем каким-либо образом.

ПРИМЕР 1

Этот пример демонстрирует способы получения одного или нескольких углеродных материалов в жидкости с применением гидродинамического кавитационного реактора. Более подробно, этот пример представляет способ синтеза углеродного материала в кавитационном облаке гидродинамического кавитационного реактора. типовой вариант осуществления способа включает: (a) течение высокоуглеродистой жидкости (жидкости, включающей органическое соединение) через гидродинамический кавитационный реактор и затем (b) введение высокоуглеродистого газа (газа, включающего органическое соединение) на задней стороне кавитационного отверстия в начале нуклеации кавитационных пузырей. В течение секунд графеноподобные материалы начинают формироваться в кавитационном облаке. (c) После предопределенного времени, поток газа останавливают, что тормозит продолжающееся формирование синтезируемого газообразного материала. Давление газа и время течения определяют толщину и размер начальных графеновых пластинок. (d) Необязательно, жидкость, содержащую графеноподобный материал, можно оставить циркулировать в течение дополнительного времени (например, 15 минут). В течение этого дополнительного времени циркуляции, в результате захвата газа, углеродный материал продолжает образовываться. Было обнаружено, что захваченный газ, впрыснутый на задней стороне (например, выходе) диафрагмы, ведет себя по-другому, чем захваченный газ, введенный перед отверстием; а именно, газ после отверстия не дегазируется так легко, как газ, впрыскиваемый перед отверстием. Это подтверждается тем, что, когда газ барботируется или непосредственно впрыскивается перед отверстием, образуется минимальное количество углеродного материала. Однако если жидкость, содержащую индуцированный после отверстия газ, оставляют циркулировать (при отсутствии впрыска газа), происходит дополнительное образование углеродного материала.

После завершения доставки газа и продолжения циркуляции дисперсии в зоне кавитации, жидкость может быть необязательно дегазирована. При дегазации, силы сдвига, испытываемые частицами углеродного материала в дисперсии, могут привести к уменьшению одной или нескольких размерных характеристик частиц. Без дегазации, силы сдвига, испытываемые частицами углеродного материала в дисперсии, могут привести к увеличению одной или нескольких размерных характеристик углеродного материала в дисперсии (например, большие и/или более толстые графеновые пластинки). Например, увеличенные силы сдвига может уменьшить графеновые пластинки. Газ, захваченный в жидкости во время воздействия на дисперсию сил сдвига или увеличенных сил сдвига, может сделать меньшие пластинки тоньше. Уменьшенная концентрация захваченного газа (например, через дегазацию) может предотвратить утолщение пластинок в этом режиме (т.е. сохранении дисперсии в зоне кавитации без доставки газа).

ПРИМЕР 2

Этот пример демонстрирует способы функционализация одного или нескольких материалов, таких как углеродные материалы, с применением гидродинамического кавитационного реактора. Например, способы из этого примера могут применяться для функционализации графена. Возможно функционализировать углеродные материалы, полученные процессом, описанным в настоящем документе, или углеродные материалы, полученные другими способами. Примеры такой функционализации включают: 1) исправление физических дефектов, 2) химическую функционализацию с различными газами, и 3) физическую функционализацию (например, изменение морфологии графена).

Исправление дефектов: исправление физических дефектов на графеновых пластинках является одной из наибольших проблем при производстве чистого графена. Обычный подход к «исправлению» дефектов графена заключается в использовании CVD (химическое осаждение из паровой фазы) для наполнения графеновых пластинок богатым углеродом газом, таким как этилен. Углерод в газе эффективно заполняет дефекты. Способ CVD, тем не менее, не является легко масштабируемым.

Процессы, описанные в настоящем документе, могут применяться для добавления углерода к графену для исправления, или заделывания, дефектов графена. Это продемонстрировано через формирование графена с большим количеством дефектов с последующей функционализацией его для фиксирования/исправления/заделывания дефектов высокоуглеродистым газом. Например, графен с большим количеством дефектов получают, начиная с оксида графена и затем восстанавливая кислород на графене через обработку оксида графена резкими химикатами (например, борогидридом натрия, серной кислотой) при чрезвычайно высоких температурах (например, 1100°C). Это создает очень восстановленный оксид графена с большим количеством дефектов (rGO), который затем диспергируют в этаноле. Затем дисперсию циркулируют через гидродинамический кавитационный реактор, одновременно ацетилен впрыскивают в кавитационное облако на задней стороне отверстия. Ацетиленовый газ «заделывает» пустоты в дефектном графене, что подтверждено заметным ростом проводимости «заделанного» графена на шайбе фильтра. См. ФИГ. 2. Для сравнения, шайбы фильтра подобного веса получают с необработанным GO с высоким содержанием кислорода и раскисленным, сильно восстановленным GO, имеющим дефекты. Как видно из ФИГ. 2, существует заметное различие в проводимости между тремя шайбами фильтра: 1) необработанный графен с низким содержанием кислорода, 2) тот же графен после раскисления (т.е. с дефектами), и 3) раскисленный графен, обработанный ацетиленом, т.е. «заделанный» в варианте осуществления способа по изобретению.

Химическая функционализация: способы, описанные в настоящем документе, могут также применяться для химической функционализации графена и других углеродных материалов через введение различных газов в кавитационное облако. Например, кислород может быть добавлен в дисперсию графена для получения оксида графена, аргон и/или водород могут быть добавлены для восстановления кислорода на графеновых пластинках, азот может увеличить смазочные свойства графена, и диоксид серы может добавить серу к графену и другим углеродным материалам.

Физическая функционализация: различные комбинации давления газа и противодавления могут использоваться для создания, например: морщинистого графена, раскрошенного графена или графена с отверстиями. Кроме того, различные комбинации газа и растворителя под различными давлениями и с различными отверстиями могут быть применены для создания углеродных нанотрубок, углеродных луковиц или других углеродных аллотропов.

ПРИМЕР 3

В этом примере графеновые пластинки формируют согласно определенным способам, описанным в настоящем документе. ФИГ. 3 показывает изображение сканирующей электронной микроскопии (SEM) некоторых графеноподобных пластинок. ФИГ. 4 показывает данные энергии дисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS), измеренные из двух частей пластинок, показанных на ФИГ. 3. Верхний белый квадрат и нижний белый квадрат на изображении SEM с ФИГ. 3 соответствуют «Спектру 5» и «Спектру 6» данных графика EDS на ФИГ. 4. Атомные композиции, полученные из данных EDS, соответствующих этим графеновым пластинкам, суммированы в Таблице 1. В Таблице 1 «C/O» соответствует отношению атомных концентраций углерода к кислороду.

Таблица 1

Метка спектра Концентрация
C (% атом.) Концентрация
O (% атом.) Общее количество
Концентрация (% атом.) C/O Отношение Спектр 5 99,43 0,57 100,00 ~175:1 Спектр 6 99,60 0,40 100,00 ~249:1

ФИГ. 5А и 5B показывают дополнительные изображения типовых графеноподобных пластинок, полученных согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе.

ПРИМЕР 4А

В этом примере углеродный материал, содержащий графеноподобный материал, получают с применением гидродинамической кавитации, согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе.

На ФИГ. 6A-7B, углеродный материал получают с применением пропана в качестве доставленного газообразного органического соединения и толуола в качестве жидкого органического соединения. ФИГ. 6A показывает изображение SEM микронных графеновых пластинок с квадратами (маркированными как «1» и «2»), идентифицирующими области, соответствующие спектрам EDS, показанным на ФИГ. 6B (квадрат 1 соответствует «Спектру 1» и квадрат 2 соответствует «Спектру 2»). ФИГ. 6B показывает спектры EDS и в Таблице 2 суммированы атомные концентрации элементов, рассчитанные из спектров EDS, в углеродном материале в областях, идентифицированных на ФИГ. 6А.

Таблица 2

Метка спектра Концентрация
C (% атом.) Концентрация O
(% атом.) Общее количество
Концентрация (% атом.) Спектр 1 99,19 0,81 100,00 Спектр 2 98,23 1,77 100,00

ФИГ. 7A показывает изображение SEM микронных графеновых пластинок с областями (маркированными как «5» и «6»), идентифицирующими области, соответствующие спектрам EDS, показанным на ФИГ. 7B (квадрат 5 соответствует «Спектру 5» и квадрат 6 соответствует «Спектру 6»). ФИГ. 7B показывает спектры EDS и таблицу, суммирующую атомные концентрации элементов, рассчитанные из спектров EDS, в углеродном материале в областях, определенных на ФИГ. 7А. Углеродный материал, сформированный в этом примере, соответствующий ФИГ. 6A-7B, имеет концентрацию кислорода меньше чем 1,77% атом. или не меньше 0,40%.

В этом примере, используют 5 мм отверстие с давлением впрыскиваемого газа 3000 ф./кв.д., и способ проводят в течение 1 минуты.

ПРИМЕР 4B

В этом примере углеродный материал, включающий графен, получают с применением гидродинамической кавитации, согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе.

На ФИГ. 8A-8B, углеродный материал получают с применением ацетилена в качестве доставленного газообразного органического соединения и жидкого этанола в качестве органического соединения жидкости. В этом примере жидкость является полностью или по существу органическим соединением (этанолом). ФИГ. 8A-8B показывают изображения SEM углеродного материала. В этом примере используют отверстие 0,5 мм и давление впрыскиваемого газа 3000 ф./кв.д., и способ выполняют в течение 5 минут.

Другими примерами гидродинамических реакторов могут быть: 1) реактор с ударной волной, такой как SHOCKWAVE POWER™ Reactor (SPR) (Hydro Dynamics, Inc., Rome, GA). При прохождении жидкости через реактор с ударной волной, она подвергается «контролируемой кавитации». Сердце устройства является специально разработанным ротором, который вращается. Вращение создает гидродинамическую кавитацию в полостях ротора далеко от металлических поверхностей. Кавитацию контролируют, и поэтому нет никакого повреждения. При образовании и коллапсе микроскопических кавитационных пузырей, в жидкость испускаются ударные волны, которые могут нагревать и/или смешивать. 2) Другим гидродинамическим реактором является вращающийся дисковый реактор. Реактор с ударной волной является устройством, использующим вращающийся диск, как правило, близко к неподвижной поверхности, для ускорения потока центробежным способом. Компоненты которого активируют поток (который, как правило, является жидкостью), для смешивания, перемешивания, сдвига, образования кавитации (вакуума) и получения изменения температуры, под влиянием вращения пограничного слоя. Одним из главных механизмов является ультразвуковая химия (производящая ультразвук через формирование акустической кавитации в жидкостях - что приводит к химической активности). Например, когда кавитируют воду, имеется энергетический взрыв, включающий ультрафиолетовый свет, тепло и звук, известный как ударная волна.

ПРИМЕР 5А

В этом примере углеродный материал, включая графен, получают с применением сдвига, согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе. В этом примере, батарейный смеситель со сдвигом, в частности, батарейную систему с высоким сдвигом FM300 Fuko, используют в качестве кавитационного реактора, пропан используют в качестве доставленного газообразного органического соединения, MOBILE 1™ машинное масло используют в качестве жидкого органического соединения. В этом примере жидкость полностью или по существу является органическим соединением (MOBILE 1™). Способ синтеза выполняют в течение 2 минут при давлении захвата газа 30 ф./кв.д. Газ захватывается жидкостью в отдельном баке под давлением, где газ впрыскивают при 30 ф./кв.д. Это позволяет удержать газ в жидкости. Под атмосферным давлением газ не захватывается в смазочном масле. Скорость потока впрыскивания газа составляет 11 мл/мин, и используют 12000 об/мин смеситель со сдвигом.

ФИГ. 9A показывает интенсивность светорассеяния к диаметру частиц, и ФИГ. 9B показывает соответствующую таблицу, суммирующую данные на ФИГ. 9А. Данные соответствуют частицам углеродного материала в дисперсии, сформированным согласно этому примеру. Размеров частиц варьируется примерно от 4,4 нм до 184 нм (гидродинамический диаметр) по данным динамического светорассеяния. ФИГ. 10A показывает количественный гранулометрический состав, и ФИГ. 10B показывает таблицу, суммирующую распределение, соответствующее частицам углеродного материала, полученным согласно этому примеру. Частицы были преимущественно кристаллическими и имеют размер от 1,5 до 10,8 нм.

Следующее описание процедур характеризации относится к Примерам 5А и 5B:

Частицы, суспендированные в жидкостях, находятся в Броуновском движении из-за случайных столкновений с молекулами растворителя. Это движение заставляет частицы диффундировать через среду. Коэффициент диффузии, D, обратно пропорционален размеру частиц согласно уравнению Стоукса-Эйнштейна: .

Где D является константой диффузии, kB является константой Больцмана, T является абсолютной температурой, ƞ₀ является вязкостью и d является диаметром сферической частицы.

Фотонная корреляционная спектроскопия, иногда также называемая динамическое светорассеяние, является методикой, используемой для определения коэффициента диффузии мелких частиц в жидкости. Коэффициент определяют путем точного измерения интенсивности светорассеяния частиц как функции от времени. Так как частицы, представляющие интерес, диффундируют через образец ячейки из-за Броуновского движения, падающий луч лазерного света облучает частицы. Частицы рассеивают свет, производя колебания интенсивности рассеяния как функции от времени. Рассеянный свет собирают под выбранным углом и измеряют высокочувствительным датчиком. Так как скорость диффузии частиц определяется их размером, информация об их размере содержится в скорости колебания светорассеяния. Колебания интенсивности собирают в виде импульсов фотона и коррелируют для создания функции аутокорреляции (ACF). Коэффициент диффузии определяют подгонкой ACF с применением способа Cumulants, из которого средний размер получают с применением уравнения Стоукса-Эйнштейна.

Дзета-потенциал: процесс, описанный в настоящем документе, дает кристаллические частицы с очень высоким Дзета-потенциалом. Таким образом, частицы углеродного материала, такие как частицы графена, в виде смазки, образуют очень стабильную дисперсию, например, имеющую Дзета-потенциал -63 мВ. В данной области техники признано, что коллоидное распределение, имеющее Дзета-потенциал больше, чем +40 мВ или меньше чем -40 мВ, является очень стабильным.

Дзета-потенциал является мерой электрического потенциала в плоскости скольжения в двойном слое, окружающем частицу, суспендированную в растворе. Двойной слой состоит из слоя Штерна и диффузного слоя. В слое Штерна ионы с противоположным зарядом поверхностных частиц привлечены к частице. При увеличении расстояния от поверхности частицы, противоположно заряженные ионы становятся более диффузными. Точка, где ионы начинают диффундировать в окружающую среду, называют плоскостью скольжения, так как сильно привлеченные ионы будут двигаться с частицей в Броуновском движении. Дзета-потенциал измеряют на плоскости скольжения. Дзета-потенциал может использоваться в качестве меры стабильности частицы в растворе. Частицы с Дзета-потенциалом, больше, чем +40 мВ или меньше чем -40 мВ считаются стабильными, поскольку заряд предохраняет частицы от агломерации. Наоборот, частицы с Дзета-потенциалом ближе к 0 мВ, изоэлектрической точке, имеют тенденцию сталкиваться и формировать большие агломераты.

Электрофоретическое светорассеяние является способом, используемым для определения Дзета-потенциала заряженных частиц в растворе. Заряд на плоскости скольжения не может измеряться непосредственно на анализаторе частиц DELSA™Nano C (Beckman Coulter, Brea, CA). Вместо этого Дзета-потенциал определяют через теоретические модели и электрофоретическую подвижность. Электрическое поле применяют к частицам в растворе. Частицы будут двигаться к противоположно заряженному электроду. Частицы облучают лазерным светом и рассеивают из-за движения частиц. Обнаруженный рассеянный свет создает сдвиг частоты из падающего луча лазера. Сдвиг частоты может быть связан с подвижностью частиц с применением следующего уравнения: .

ФИГ. 11A показывает данные подвижности для определения Дзета-потенциала для дисперсии углеродного материала, полученной согласно этому примеру, и ФИГ. 11B показывает таблицу, суммирующую данные и условия характеризации. Дзета-потенциал определяют как -63.93 мВ для дисперсии.

ПРИМЕР 5B

В этом примере углеродный материал, содержащий графен, получают с помощью, сдвига, согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе.

Пропан используют в качестве доставленного газообразного органического соединения, минеральное масло используют в качестве жидкого органического соединения, и используют батарейный реактора со сдвигом. ФИГ. 12A показывает изображение SEM микронной графеновой пластинки, полученной согласно этому примеру. Данные EDS на ФИГ. 12B и показанные ниже в Таблице 3 суммируют атомные доли элементов.

Таблица 3

Метка спектра Концентрация
C (% атом.) Концентрация
O (% атом.) Общее количество
Концентрация (% атом.) Спектр 69 99,51 0,49 100,00

Углеродный материал показал концентрацию кислорода 0,49% атом.

ПРИМЕР 5C

В этом примере углеродный материал, содержащий графен, получают с помощью, сдвига, согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе.

Используют батарейный реактор со сдвигом, такой как на ФИГ. 19. В этом примере множество комбинаций газообразного органического соединения и жидкого органического соединения используют для получения углеродного материала: (i) пропан и минеральное масло, (ii) пропан и толуол и (iii) ацетилен и толуол, соответственно. Кристаллический графен получают в варианте (i) и микронный графитовый материал получают в вариантах (ii) и (iii).

ПРИМЕР 6

В этом примере углеродный материал, включающий графен, получают с применением ультразвуковой кавитации, согласно вариантам осуществления способов, описанным в настоящем документе. Используют кавитационный реактор с ультразвуковым зондом, с применением рычага № 8 и 90% мощности. Способ проводят в течение 15 минут. Скорость впрыскивания газа или потока захвата необязательно составляет 14 л/мин. Используют следующие комбинации газообразного органического соединения и жидкого органического соединения: (i) пропан и толуол; (ii) пропан/E30 и Mobile-1, где E30 означает, что пропан был предварительно захвачен в Mobil-1 при 30 ф./кв.д. в баке под давлением; (iii) пропан/B и толуол, означающий, что пропан «барботирован» и (iv) ацетилен/B и толуол. «B» означает «барботированный». В варианте (i), (iii) и (iv), получают микронный графеновый углеродный материал. В варианте (ii), получают кристаллический графеновый материал. Поскольку все осуществляли при высоком сдвиге, сдвиг разбивает микронные графеноподобные пластинки на кристаллические (меньше чем 10 нм) частицы.

ПРИМЕР 7

В этом примере углеродный материал, включающий графен, получают с помощью многофункционального кавитационного реактора, согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе, включая гидродинамическую кавитацию и сдвиг. Пропан используют в качестве газообразного органического соединения, и минеральное масло используют в качестве жидкого органического соединения. Был сформирован кристаллический углеродный материал.

ПРИМЕР 8

В этом примере продемонстрировано, что углеродный материал не формируется в отсутствие газообразного органического соединения при в другом эквивалентных условиях способа получения твердого углеродного материала.

Твердый углеродный материал, такой как графен, получают с применением батарейного реактора со сдвигом с применением пропана в качестве газообразного органического соединения и Syn 530 в качестве жидкого органического соединения. При эквивалентных условиях, без доставки газообразного органического соединения, способ не дает твердый углеродный материал. Дисперсия полученного углеродного материала в Syn 530 приводит к сокращению следа изнашивания на 14,6% и уменьшению коэффициента трения на 64,5% относительно Syn 530, не содержащего углеродный материал.

Твердый углеродный материал, такой как графен, получают с применением батарейного реактора со сдвигом с применением пропана в качестве газообразного органического соединения и MOBILE 1™ в качестве жидкого органического соединения. При эквивалентных условиях, без доставки газообразного органического соединения, способ не дает твердый углеродный материал. Дисперсия полученного углеродного материала в MOBILE 1™ приводит к сокращению следа изнашивания на 8% и уменьшению коэффициента трения на 31% относительно MOBILE 1™, не содержащего углеродного материала.

ПРИМЕР 9

В этом примере углеродный материал, включающий графен, получают с применением сдвига, согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе. Пропан используют в качестве газообразного органического соединения. Множество жидких органических соединений используют в сочетании с пропаном: Syn 530, MOBILE 1™, AMSOIL™, NonSyn, QUAKER STATE™ 530 и высокоуглеродистое масло (HCO)/Базовое масло.

Также в этом примере, уменьшение трения продемонстрировано с применением дисперсии углеродного материала в перечисленных выше органических жидкостях. В случае Syn 530 (см. ФИГ. 14), продемонстрировано снижение следа изнашивания на 14,6% и уменьшение коэффициента трения на 64,5% относительно Syn 530, не содержащего углеродный материал (т.е. относительно Syn 530, не используемого в способе получения твердого углеродного материала согласно этому примеру). В случае MOBILE 1™ (см. ФИГ. 16), продемонстрировано снижение следа изнашивания на 8% и уменьшение коэффициента трения на 31% относительно MOBILE 1™ не содержащего углеродный материал (т.е. относительно MOBILE 1™ не используемого в способе получения твердого углеродного материала согласно этому примеру). В случае AMSOIL™ (см. ФИГ. 15), продемонстрировано снижение следа изнашивания на 0% и уменьшение коэффициента трения на 12% относительно AMSOIL™ не содержащего твердый углеродный материал (т.е. относительно AMSOIL™ не используемого в способе получения твердого углеродного материала согласно этому примеру). В случае NonSyn, Quaker 530, продемонстрировано снижение следа изнашивания на 3% и уменьшение коэффициента трения на 19% относительно NonSyn, Quaker, не содержащего углеродный материал (т.е. относительно NonSyn, Quaker, не используемого в способе получения твердого углеродного материала согласно этому примеру). В случае HCO/Основного масла, продемонстрировано снижение следа изнашивания на 7% и уменьшение коэффициента трения на 13% относительно HCO/Основного масла не содержащего углеродный материал (т.е. относительно HCO/Основного масла, не используемого в способе получения твердого углеродного материала согласно этому примеру).

ПРИМЕР 10

В этом примере углеродный материал, включающий графен, получают с применением сдвига, согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе. Пропан используют в качестве газообразного органического соединения, и сероуглерод используют в качестве жидкого органического соединения. ФИГ. 13A показывает изображение SEM углеродного материала, сформированного согласно способу этого примера. ФИГ. 13A помечена квадратом № 78 и квадратом № 79. ФИГ. 13B показывает данные EDS, соответствующие материалу в квадрате 78 (Спектр 78) и квадрате 79 (Спектр 79). В Таблица 4 суммированы атомные доли элементов.

Таблица 4

Концентрация (% атом.) Метка спектра C O Na Mg Si S Fe Cu Zn Br Sn Общее количество Спектр 78 90,09 7,29 0,23 0,03 0,50 1,33 0,27 0,23 0,03 100,00 Спектр 79 47,67 4,42 0,58 15,25 1,50 27,85 2,10 0,63 100,00

Как видно из Таблицы 3, сформированный углеродный материал содержит композитный материал углерода-серы в квадрате 79. Соединение имеет примерно 48% атом. углерода и 15% атом. серы.

ПРИМЕР 11А

В этом примере получают углеродный материал, включающий графен, с применением ультравысокого сдвига с применением Ross Model HSM-703X-20 Inline High Shear Mixer, согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе, такого как реактор со сдвигом с ФИГ. 18. Пропан используют в качестве газообразного органического соединения, и минеральное масло используют в качестве жидкого органического соединения. Используют давление впрыскивания газа 50 ф./кв.д., реактор со сдвигом запускают при 10000 об/мин, и способ синтеза проводят в течение 15 минут.

Углеродная дисперсия в минеральном масле, полученную в этом примере, характеризуют через Дзета-потенциал -51 мВ (например, -50,68 мВ), как показано на ФИГ. 17A-17B.

Следующее описание способов характеризации и условий относится к Примеру 11А и Примеру 11B:

Оборудование для тестирования: прибор для тестирования, применяемый для проведения анализа Дзэта потенциала, DELSA™Nano C Nanoparticle Size and Zeta Potential Analyzer (Beckman Coulter, Brea, CA). DELSA™Nano C использует способы фотонной корреляционной спектроскопии (PCS) и электрофоретического светорассеяния для определения размера частиц и Дзэта потенциала материалов. Предлагая превосходную степень точности, разрешения и воспроизводимости, DELSA™Nano C разработан для упрощения анализов субмикронных частиц и Дзэта потенциала. DELSA™Nano C обеспечивает точное измерение размера в диапазоне от 0,6 нм до 7 мкм при концентрации образца от 0,001% до40%. Он может проводить анализ водных и не водных образцов.Ю а также определять Дзэта-потенциалы твердых поверхностей и мембран. Он служит во множестве областей применения в промышленности, таких как нанотехнологии, электроника, фармацевтика, чернила, еда & напитки, биомедицина, текстиль.

Частицы, суспендированные в жидкостях, находятся в Броуновском движении из-за случайных столкновений с молекулами растворителя. Это движение заставляет частицы диффундировать через среду. Коэффициент диффузии, D, обратно пропорционален размеру частиц согласно уравнению Стоукса-Эйнштейна: , где D является константой диффузии, k_B является константой Больцмана, T является абсолютной температурой, ƞ₀ является вязкостью и d является диаметром сферической частицы.

Фотонная корреляционная спектроскопия, иногда также называемая динамичное светорассеяние, является методикой, используемой для определения коэффициента диффузии мелких частиц в жидкости. Коэффициент определяют путем точного измерения интенсивности светорассеяния частиц как функции от времени. Так как частицы, представляющие интерес, диффундируют через образец ячейки из-за Броуновского движения, падающий луч лазерного света облучает частицы. Частицы рассеивают свет, производя колебания интенсивности рассеяния как функции от времени. Рассеянный свет собирают под выбранным углом и измеряют высокочувствительным датчиком. Так как скорость диффузии частиц определяется их размером, информация об их размере содержится в скорости колебания светорассеяния. Колебания интенсивности собирают в виде импульсов фотона и коррелируют для создания функции аутокорреляции (ACF). Коэффициент диффузии определяют подгонкой ACF с применением способа Cumulants, из которого средний размер получают с применением уравнения Стоукса-Эйнштейна.

Дзета-потенциал является мерой электрического потенциала в плоскости скольжения в двойном слое, окружающем частицу, суспендированную в растворе. Двойной слой состоит из слоя Штерна и диффузного слоя. В слое Штерна ионы с противоположным зарядом поверхностных частиц привлечены к частице. При увеличении расстояния от поверхности частицы, противоположно заряженные ионы становятся более диффузными. Точка, где ионы начинают диффундировать в окружающую среду, называют плоскостью скольжения, так как сильно привлеченные ионы будут двигаться с частицей в Броуновском движении. Дзета-потенциал измеряют на плоскости скольжения. Дзета-потенциал может использоваться в качестве меры стабильности частицы в растворе. Частицы с Дзета-потенциалом, больше, чем +/-20 мВ считаются стабильными, поскольку заряд предохраняет частицы от агломерации. Наоборот, частицы с Дзета-потенциалом ближе к 0 мВ имеют тенденцию сталкиваться и формировать большие агломераты.

Электрофоретическое светорассеяние является способом, используемым для определения Дзета-потенциала заряженных частиц в растворе. Заряд на плоскости скольжения не может измеряться непосредственно на анализаторе DELSA™Nano C. Вместо этого Дзета-потенциал определяют через теоретические модели и электрофоретическую подвижность. Электрическое поле применяют к частицам в растворе. Частицы будут двигаться к противоположно заряженному электроду. Частицы облучают лазерным светом и рассеивают из-за движения частиц. Обнаруженный рассеянный свет создает сдвиг частоты из падающего луча лазера. Сдвиг частоты может быть связан с подвижностью частиц с применением следующего уравнения:

, где D является частотой сдвига частиц, U является подвижностью частиц, q является вектором рассеивание, λ является длиной волны падающего света, n является показателем преломления среды, и θ является углом рассеивания. Зная подвижность, уравнение Смолучовски можно применить для того, чтобы найти Дзета-потенциал. , где ε0 и εr являются диэлектрическими константами в вакууме и среде, соответственно.

В дополнение к измерению Дзэта потенциала частиц в растворе, также может быть определен Дзэта потенциал твердой поверхности. Те же принципы, используемые для измерения Дзета-потенциала частицы, используют для ровной поверхности. Специально разработанную Flat Surface Cell применяют для удерживания твердых образцов. Процедура измерения Дзета-потенциала твердой поверхности подобна типовому измерению Дзета-потенциала для частиц. Измерения проводят с применением динамического светорассеяния заряженных пробных частиц под влияниями и электроосмоса и электрофореза. Истинный электроосмотический поток из-за Дзета-потенциала твердой поверхности получают вычитанием истинной электрофорезной подвижности из полного явного электроосмотического потока заряженных пробных частиц.

Условия тестирования и параметры: До анализа Дзета-потенциала образец смешивают, и примерно 5 мл образца центрифугируют при 3000 об/мин в течение 20 минут. ~1 мл аликвоту берут с верха центрифугированного образца и используют для анализа. Для определения Дзета-потенциала образец анализируют с Flow Cell с помощью электрофоретического светорассеяния. Эталонные значения из литературы 1,467 для показателя преломления разбавляющего масла [Ref. 1], 19,1 сP для вязкости разбавляющего масла [Ref. 2], и 2.1 для диэлектрической константы масла [Ref. 3], используют для анализа экспериментальные данные и расчета Дзета-потенциала. В Таблице 5 суммированы условия тестирования и параметры тестирования.

Таблица 5. Условия испытания дзета-потенциала и параметры

Образец Один образец легкого минерального масла с графеном нефтяной экземпляр легкого минерала с графеном Испытательный прибор DELSA™Nano C Методика Электрофоретическое светорассеяние Ячейка измерения Flow cell Показатель преломления разбавителя 1,467 Вязкость разбавителя 19,1 сP Диэлектрическая константа разбавителя 2,1 Температура тестирования 25°C Комнатная температура 22,8°C (73°F) Влажность 40% ОВ

Ссылки для примеров 11А и 11B:

1. Millipore Sigma (2019). Liquid Refractive Index-Mineral Oil. https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/nist1922?lang=en&region=US

2. EFSA Panel on Food Additives and Nutrient Sources added to Food (ANS); Scientific Opinion on the use of high viscosity white mineral oils as a food additive on request from the European Commission. EFSA Journal, 2009;7(11):1387.

3. Honeywell (2019). Dielectric Constant Table. www.honeywellprocess.com

ПРИМЕР 11B

В этом примере углеродный материал, включающий графен, получают с применением сдвига, согласно вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе, таким как реактор со сдвигом с ФИГ. 18. Пропан используют в качестве газообразного органического соединения и масло MOBILE 1™ используют в качестве жидкого органического соединения. Используют давление впрыскивания газа 30 ф./кв.д., реактор со сдвигом запускают при 12000 об/мин, и способ синтеза проводят в течение 15 минут.

Углеродную дисперсию в MOBILE 1™, полученную в этом примере характеризуют Дзета-потенциалом -64 мВ (например, -63,93 мВ).

ПРИМЕР 12А

Этот пример описывает реакторы с механическим перемешиванием, которые могут также быть описаны как высокотемпературные, реакторы высокого давления (SHTHPTR). ФИГ. 23 иллюстрирует типовой реактор с механическим перемешиванием, который совместим со способами, описанными в настоящем документе, согласно определенным вариантам осуществления. Реактор с механическим перемешиванием или SHTHPTR, с ФИГ. 23 облегчает газожидкостный массообмен между газом на основе углерода и жидкостью на основе углерода для создания химической реакции, которая может дать графен или графеноподобный материал, функционализировать графеновый материал или облегчить создание графеноподобного композиционного материала. В этом реакторе синтезирующий газ диспергирован в мелкие пузыри для растворения в жидкости. Меньшие пузыри имеют большую площадь поверхности и таким образом облегчают газожидкостный массообмен.

Реакторы с механическим перемешиванием, которые могут применяться так же, как реакторы газожидкостного массообмена согласно вариантам осуществления, описанным в настоящем документе, включают реакторы с механическим перемешиванием, которые могут быть разделены на турбинные, монолитные или пенные реакторы.

Обычно низкая растворимость органического газа в углеродной жидкости может быть улучшена работой реактора, такого как реактор газожидкостного массообмена с механическим перемешиванием с ФИГ. 23, при повышенном давлении, например, от 6 бар (примерно 87 ф./кв.д.) до 150 бар (примерно 2175 ф./кв.д.). Рабочая температура реактора как правило, находится в диапазоне от 20°C до 250°C (например, от 20°C до 200°C, от 20°C до 150°C, от 20°C до 100°C, от 30°C до 250°C, от 30°C до 200°C, от 30°C до 150°C, от 30°C до 100°C, от 40°C до 250°C, от 40°C до 200°C, от 40°C до 150°C, от 40°C до 100°C, от 50°C до 250°C, от 50°C до 200°C, от 50°C до 150°C, от 50°C до 100°C, от 50°C до 90°C или от 60°C до 100°C).

Реактор газожидкостного массообмена с механическим перемешиванием, такой как на ФИГ. 23, содержит мешалку. Не желая быть связанным какой-либо теорией, полагают, что реакции органический газ-органическая жидкость имеют ограниченный массообмен. Таким образом, система перемешивания важна для: (1) усиления обмена масса/жидкость, (2) усиления теплопередачи, ускоряющей химическую реакцию, и (3) гомогенизации смеси газ/жидкость для предотвращения неравномерных профилей температуры и концентрации во время процесса реакции. Мешалка является важным компонентом высокотемпературного реактора с механическим перемешиванием под высоким давлением, и может быть нескольких типов, включая, но не ограничиваясь ими: мешалка Rushton/турбина, монолитная мешалка, спиральная мешалка, мешалка с радиальными пластинами, крылатка с плоскими лопастями, аксионный пропеллер, угловые лопасти, турбинная вихревая мешалка, нескольких мешалок на одном стержне.

Предпочтительно, но не обязательно, мешалка, используемая для увеличения газожидкостного массообмена, является газ-индуцирующей мешалкой, такой, как показана на ФИГ. 24. Эта высокоэффективная крылатка диспергирует углеродный газ в верхнем пространстве реактора на очень мелкие газовые пузыри и таким образом создает чрезвычайно большую область раздела между газом и жидкостью.

Газ-индуцирующая крылатка, используемая в этом примере, содержит полый стержень крылатки из нержавеющей стали с маленьким миллиметровым впускным отверстием для газа в верхней части стержня крылатки в верхнем пространстве смесительного сосуда. Газ в верхнем пространстве всасывается в корпус крылатки и затем диспергируется в жидкую фазу через порты газовой дисперсии (выход) в крылатках, расположенных на конце каждой из 4 лопастей крылатки. Эту крылатку устанавливают в SHTHPTR (ФИГ. 23) с электрической или пневматической мешалкой для обеспечения непрерывного вращения для длительных прогонов. Чем выше скорость перемешивания, тем выше вакуум и выше движущая сила. Для максимального всасывания через газовые порты, крылатка может обычно работать в диапазоне 100-3000 об/мин (например, 600-2000 об/мин, 1000-1200 об/мин, 100-600 об/мин). Крылатки могут быть куплены у любого подходящего поставщика, такого как Parr Instrument Company (Moline, IL).

ПРИМЕР 12B

В этом примере графеноподобный материал получают и характеризуют с применением реактора с механическим перемешиванием, такого как на ФИГ. 23. ФИГ. 25 показывает SEM, показывающий графеноподобный материал с небольшим количеством слоев, полученный в высокотемпературном, реакторе с механическим перемешиванием высокого давления (например, ФИГ. 23) через впрыскивание газообразного пропана в жидкий толуол в течение 30 минут при давлении 80 ф./кв.д. и температуре 60°C. Полученный твердый углеродный материал является графеноподобным материалом (ФИГ. 25), а не аморфным углеродом.

Параметры технологического резервуара для этого примера включают: резервуар диаметром 9” (22,86 см), содержащий 2 литра толуола и крылатку диаметром 4” (10,16 см), вращающуюся при 3000 об/мин в течение 30 минут. Отношение диаметра крылатки к диаметру резервуара (D/T) составляет 0,44. Сдвиг, созданный крылаткой в реакторе с перемешиванием, в основном определяется отношением диаметра крылатки к диаметру резервуара (D/T). Для способа по изобретению, отношение D/T, как правило, находится в диапазоне от 0,1 до 0,6, предпочтительно, от 0,2 до 0,5. Крылатки с низким D/T могут дать высокий сдвиг при более низких об./мин, в то время как конфигурации с высоким D/T, как правило, работают при более высоких об./мин, и вызывают низкий сдвиг, но большее смешивание. В способе по изобретению было обнаружено, что низкое отношение D/T желательно, потому что целью является не смешивание, а скорее максимизация передачи газа через высокий, сдвиг.

ПРИМЕР 12C

В этом примере дисперсию подобного графену материала в высокоуглеродистом масле без присадок получают с применением реактора с механическим перемешиванием, такого как реактор с ФИГ. 23. В этом примере, дисперсию используют для смазывания, и свойства смазывания сравнивают с таковыми для того же масла без графеноподобного материала. Высокоуглеродистое масло обрабатывают в течение 40 минут с впрыскиваемым пропаном при 30 ф./кв.д. при температуре 60°C. В Таблице 6 показано улучшение смазывания с применением полученной дисперсии по сравнению с маслом до получения графеноподобного материала.

Таблица 6

След износа Коэффициент трения Без графена 1 0,115 С графеном in situ 0,84 0,101 % Улучшения 19% 14%

ПРИМЕР 13

Этот пример демонстрирует восстановление оксида графена (GO) до восстановленного оксида графена (rGO), согласно определенным вариантам осуществления способов, описанных в настоящем документе.

Ключевой темой в исследовании и применениях оксида графена (GO) является восстановление GO до восстановленного оксида графена (rGO). Недостатком большинства процессов, используемых для превращения GO в rGO, является снижения качества графена. Это вызвано тем, что дефекты решетки и функциональные группы, присоединенные к поверхности и краям, не могут быть полностью удалены во время стадии окислительного восстановления. Также проблемой является то, что, сильные окислители, жидкие отходы и органические растворители, используемые в процессе восстановления, поднимают экологические вопросы. Наоборот, определенные способы, описанные в настоящем документе, намного более просты и не ставят под угрозу качество графена или не требуют экологически опасных химикатов.

ФИГ. 26-27 показывают восстановление GO до rGO с применением батарейного сдвига для барботирования пропана в GO, диспергированный в полярном растворителе N-метил-2-пирролидоне (NMP). Этот процесс дает сокращение атомарного кислорода в GO с 34% до 20%, что увеличивает отношение C/O с 1,76 до 3,81. Углерод, добавленный к GO, поступает из дополнительного углерода, созданного в процессе газожидкостного массообмена. На ФИГ. 26 и в Таблице 7 суммированы атомные доли элементов в оксиде графена.

Таблица 7

Концентрация (% атом.) Метка спектра C O Na Si Cl K Общее количество 2 293 GO 1550x область 1 64,18 34,74 0,17 0,12 0,67 0,12 100,00 2 293 GO 1500x область 2 64,51 34,39 0,17 0,13 0,66 0,13 100,00

На ФИГ. 27 и в Таблице 8 суммированы атомные доли элементов в восстановленном оксиде графена (восстановленном оксиде графена с ФИГ. 26).

Таблица 8

Концентрация (% атом.) Метка спектра C O Mg Si S Cl Ca Cu Zn Pb Общее количество Область 1 74,05 20,78 0,32 0,33 0,15 0,19 2,61 0,61 0,40 0,56 100,00 Область 2 74,83 19,59 0,35 0,41 0,11 0,21 2,81 0,67 0,35 0,66 100,00

ПРИМЕР 14А

В этом примере графен имеет окисленный край, как пример функционализации in situ графена, согласно определенным вариантам осуществления, описанным в настоящем документе.

Графен с окисленным краем является антитезой восстановления графена. Вместо удаления кислорода его законно добавляют. Основная причина добавления кислорода к чистому графену состоит в том, чтобы сделать графен диспергируемым в воде. Это не простая задача, потому что высококачественный графен имеет очень немного дефектов, делающих графен гидрофобным. Дилемма заключается в том, что для диспергирования графена в воде он должен иметь дефектные места. В настоящее время наиболее распространенным способом получения водных графеновых дисперсий с низким содержанием кислорода является прививка нескольких химических групп на ограниченные дефектные места на чистом графене.

Этот пример демонстрирует безвредный для окружающей среды процесс мягкого окисления высококачественного графена. Реакторы газожидкостного массообмена могут использоваться для получения «слабого» окисления графена способом, позволяющим избежать значительного повреждения решетки графеновых пластинок. Минимальное повреждение дает графен, который растворим в воде без любых поверхностно-активных веществ или добавок. Барботирование кислорода с обработкой ультразвуком также понижает поверхностное натяжение воды до примерно 42, что является близким к совпадению с поверхностным натяжением графита. Специалисты в данной области техники знают, что жидкостное расслоение облегчается, когда поверхностное натяжение жидкости близко к поверхностному натяжению графита. Однако использование барботирования кислорода для понижения поверхностного натяжения воды в целях жидкостного расслоения не сообщается. Этот процесс не требует использования поверхностно-активных веществ, водно/спиртовых смесей или дорогих экологически опасных растворителей. Идея насыщения кислородом, понижающего поверхностное натяжение воды, поддерживается недавним молекулярным моделированием динамики (см., например, Jain, et al., AIP Advances, 2017, 7, 045001).

Анализ EDS на ФИГ. 28-29 показывает, что после 1 часа обработки чистого графена с кислородом, впрыскиваемым в гидродинамический кавитационный реактор, кислород на графене повышается с ~0,5% до ~6% и графен становится водорастворимым. На ФИГ. 28 и в Таблице 9 суммированы атомные доли элементов в чистом графене.

Таблица 9

Концентрация (% атом.) Метка спектра C O Общее количество Спектр 5 99,43 0,57 100,00 Спектр 6 99,60 0,40 100,00

На ФИГ. 29 и в Таблице 10 суммированы атомные доли элементов в частично окисленном (окисленный край) графене (окисленный графен с ФИГ. 28).

Таблица 10

Концентрация (% атом.) Метка спектра C O F Na S Cl Cu Общее количество Спектр 80 92,14 5,96 0,39 0,14 1,24 0,06 0,08 100,00

ПРИМЕР 14B

В этом примере графен с окисленным краем из Примера 14А используют для улучшения смазывающих свойств смазок на основе воды. Более конкретно, на ФИГ. 30 показано, что, когда диспергированный в воде графен добавляют к водной части Master Chemical 685, возникает 26% восстановление крутящего момента, требуемого для формирования нитей в стали. Верхний график является хладагентом без графена, а нижний график является 0,01% окисленным по краю графеном. Более низкий крутящий момент отражает более высокие смазывающие свойства.

ПРИМЕР 15

В этом примере, катионный графен (CGN) получают согласно определенным вариантам осуществления, описанным в настоящем документе. Выбор электрических свойств графена через создание катионного графена имеет большое значение в широкой области современных электронных устройств. Химическое легирование является важным подходом к выбору электронного свойства графена. Как правило, существует два способа химического легирования графена: (1) адсорбция металла или органических молекулы на поверхности графена, или (2) заменяющее легирование, которое вводит гетероатомы, такие как атомы азота и атомы бора в углеродную решетку графена. Оба этих способа могут изменить электронные свойства графена.

Этот пример показывает другой способ изменения электронной природы графена. Хотя графен обычно является анионным, процесс газожидкостного массообмена может использоваться для производства катионного графена in situ. Процесс включает, например, барботирование пропана в 1,2-дихлорбензол с высоким сдвигом. В этих условиях реакция газожидкостного массообмена преобразовывает углерод в системе газ/жидкость с высоким сдвигом в графену in situ. Катионный графен, произведенный из 1,2-дихлорбензола с применением газожидкостного массообмена, описанного в настоящем документе, имеет Дзета-потенциал +4,99 мВ, как видно на ФИГ. 31. Это отличается от Дзета-потенциала -33 мВ для графена, диспергированного в N-метил-2-пирролидоне (NMP).

УТВЕРЖДЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ВВЕДЕНИЯ В КАЧЕСТВЕ ССЫЛКИ И ВАРИАЦИЙ

Все ссылки, включая публикации, заявки на патент и патенты, процитированные в настоящем документе, настоящим включены в качестве ссылок до той же степени, как будто каждая ссылка была индивидуально и конкретно указана как включенная в качестве ссылки и была сформулирована в целом в настоящем документе.

Использование терминов «а» и «an» и «the» и «по меньшей мере, один» и подобных объектов ссылок в контексте описания изобретения (особенно в контексте следующей формулы изобретения) должно быть истолковано как охватывающее единственное и множественное число, если не указано иное в настоящем документе, или ясно не противоречит контексту. Использование термина, «по меньшей мере, один», сопровождаемое списком из одного или нескольких пунктов (например, «по меньшей мере, один из A и B»), должно быть истолковано для значения одного пункта, выбранного из перечисленных пунктов (A или B) или любой комбинации двух или нескольких из перечисленных пунктов (A и B), если не указано иное в настоящем документе, или ясно не противоречит контексту. Термины «включающий», «имеющий», «включает» и «содержащий» должны быть истолкованы как открытые термины (т.е., означающие «включающий, но не ограниченный»), если не указано иное. Перечисление диапазонов значений в настоящем документе просто предназначено для того, чтобы служить в качестве краткого способа обращения отдельно к каждому отдельному значению, попадающему в диапазон, если не указано иное в настоящем документе, и каждое отдельное значение включено в спецификацию, как будто оно было индивидуально перечислено в настоящем документе. Все способы, описанные в настоящем документе, могут быть выполнены в любом подходящем порядке, если не указано иное в настоящем документе, или ясно не противоречит контексту. Использование любого и всех примеров или типового языка (например, «такой как»), представленное в настоящем документе, предназначается только для лучшего освещения изобретения и не накладывает ограничение на объем изобретения, если не заявлено иное. Никакой язык в спецификации не должен быть истолкован как указывающий на не заявленный элемент как существенный для практики изобретения.

Когда группу Markush или другую группу используют в настоящем документе, все отдельные члены группы и все комбинации и субкомбинации, возможные в группе, предназначаются для индивидуального включения в описание. Если соединение, описанное в настоящем документе, например, конкретный изомер, энантиомер или диастереомер соединения не определено, например, в формуле или в химическом названии, то описание предназначается для включения каждого изомера и энантиомера соединения, описанного отдельно или в любой комбинации. Кроме того, если не указано иное, все изотопные варианты соединений, описанных в настоящем документе, охвачены описанием. Например, будет понятно, что любой один или несколько атомов водорода в описанной молекуле могут быть замещены дейтерием или тритием. Изотопные варианты молекулы обычно применяют в качестве стандартов в анализах молекулы и в химических и биологических исследованиях, связанных с молекулой или ее использованием. Способы получения таких изотопных варианты известны в данной области техники. Конкретные наименования соединений являются типовыми, поскольку известно, что специалист в данной области техники может назвать те же соединения по-другому.

Определенные молекулы, описанные в настоящем документе, могут содержать одну или несколько ионизируемых групп (групп, из которых протон может быть удален (например, -COOH) или добавлен (например, амины) или которые могут быть кватернизированы (например, амины)). Все возможные ионные формы таких молекул и их солей включены индивидуально в описание настоящего документа. Относительно солей соединений в настоящем документе, специалист в данной области техники может выбрать из числа большого разнообразия доступных противоионов те, которые подходят для получения солей настоящего изобретения для данной области применения. В определенных областях применения, выбор данного аниона или катиона для получения соли может привести к увеличению или уменьшению растворимости такой соли.

Каждый способ и система, описанные или представленные примерами в настоящем документе, могут использоваться для осуществления изобретения, если не указано иное.

Предпочтительные варианты осуществления этого изобретения описаны в настоящем документе, включая лучший способ, известный изобретателям для выполнения изобретения. Изменения предпочтительных вариантов осуществления могут стать очевидными специалистам в данной области техники после прочтения вышепредставленного описания. Изобретатели ожидают, что специалисты в данной области техники будут использовать такие изменения подходящим образом, и изобретатели предполагают, что изобретение может быть осуществлено иначе, чем конкретно описано в настоящем документе. Соответственно, это изобретение включает все модификации и эквиваленты объекта, указанного в формуле изобретения, приложенной к настоящему документу, как разрешено действующим законом. Кроме того, любая комбинация вышеописанных элементов во всех возможных вариациях охвачена изобретением, если не указано иное в настоящем документе, или ясно не противоречит контексту.

Изобретения относятся к получению углеродного материала и его использованию. Описан способ получения твердого углеродного материала, включающий: доставку жидкости, содержащей по меньшей мере одно жидкое органическое соединение, в зону реакции реактора; доставку газа, содержащего по меньшей мере одно газообразное органическое соединение, в зону реакции реактора; и индуцирование химической реакции, включающей газожидкостный массообмен между по меньшей мере одним жидким органическим соединением и по меньшей мере одним газообразным органическим соединением, при этом: химическая реакция происходит в зоне реакции реактора; твердый углеродный материал получен реакцией; твердый углеродный материал получен во время реакции в форме дисперсии, включающей твердый углеродный материал, диспергированный в жидкости; химическая реакция является гомогенной реакцией, включающей гомогенную нуклеацию твердого углеродного материала в зоне реакции реактора; химическая реакция не происходит на или в катализаторе; и полученный твердый углеродный материал выбран из группы, содержащей графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные пластинки, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, композит, содержащий графен, катионный графен или любую их комбинацию. Описана дисперсия, полученная указанным выше способом. Описано применение твердого углеродного материала, полученного описанным выше способом, в качестве части анода батареи, катода батареи, токопроводящего материала, теплопроводящего материала, смазочной жидкости или теплопроводящей жидкости. Описано применение дисперсии, полученной описанным выше способом, для получения части анода батареи, катода батареи, токопроводящего материала, теплопроводящего материала, смазочной жидкости или теплопроводящей жидкости. Технический результат - получение углеродного материала. 4 н. и 33 з.п. ф-лы, 43 ил., 10 табл., 14 пр.

1. Способ получения твердого углеродного материала, включающий:

доставку жидкости, содержащей по меньшей мере одно жидкое органическое соединение, в зону реакции реактора;

доставку газа, содержащего по меньшей мере одно газообразное органическое соединение, в зону реакции реактора; и

индуцирование химической реакции, включающей газожидкостный массообмен между по меньшей мере одним жидким органическим соединением и по меньшей мере одним газообразным органическим соединением, при этом:

химическая реакция происходит в зоне реакции реактора;

твердый углеродный материал получен реакцией;

твердый углеродный материал получен во время реакции в форме дисперсии, включающей твердый углеродный материал, диспергированный в жидкости;

химическая реакция является гомогенной реакцией, включающей гомогенную нуклеацию твердого углеродного материала в зоне реакции реактора;

химическая реакция не происходит на или в катализаторе; и

полученный твердый углеродный материал выбран из группы, содержащей графит, расширенный графит, графитоподобный материал, графен, графеноподобный материал, углеродные пластинки, углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, другой углеродный аллотроп, композит, содержащий графен, катионный графен или любую их комбинацию.

2. Способ по п. 1, в котором композиция газа отличается от композиции жидкости.

3. Способ по п. 1, в котором композиция по меньшей мере одного газообразного соединения отличается от композиции по меньшей мере одного жидкого органического соединения.

4. Способ по п. 1, в котором способ не включает гетерогенную нуклеацию твердого углеродного материала на твердой подложке.

5. Способ по п. 1, в котором стадия доставки жидкости выполняется через первый входной поток в зону реакции и стадия доставки газа выполняется через второй входной поток в зону реакции; при этом пути первого потока и второго входного потока отличаются и являются физически отдельными.

6. Способ по п. 1, в котором стадию доставки жидкости и стадию доставки газа выполняют одновременно или стадию доставки газа выполняют после доставки жидкости в зону реакции.

7. Способ по п. 1, в котором твердый углеродный материал остается диспергированным в жидкости во время нахождения в зоне реакции.

8. Способ по п. 1, в котором жидкость не содержит твердый углеродный материал во время стадии доставки жидкости и до стадий доставки газа и индуцирования химической реакции.

9. Способ по п. 1, в котором жидкость не содержит твердые частицы и не является коллоидом, суспензией или золем во время стадии доставки жидкости и до стадий доставки газа и индуцирования химической реакции.

10. Способ по п. 1, в котором твердый углеродный материал сформирован только в зоне реакции реактора.

11. Способ по п. 1, в котором твердый углеродный материал не получен, если способ выполняется без стадии доставки газа.

12. Способ по п. 1, в котором доставка газа включает захват газа в жидкости, впрыскивание газа в жидкость, барботирование газа в жидкость или их комбинацию.

13. Способ по п. 1, в котором газ доставляют непосредственно в зону реакции во время стадии доставки газа.

14. Способ по п. 1, в котором стадия индуцирования химической реакции включает индуцирование силы сдвига в жидкости.

15. Способ по п. 1, в котором стадия индуцирования химической реакции включает перемешивание или смешивание жидкости и газа в зоне реакции, необязательно под давлением.

16. Способ по п. 1, в котором:

реактором является кавитационный реактор;

зоной реакции является кавитационная зона кавитационного реактора; и

способ включает формирование кавитационных пузырей в жидкости в зоне кавитации кавитационного реактора.

17. Способ по п. 16, в котором во время стадии доставки газа, газ доставляют непосредственно или в пределах 1 мм от области нуклеации кавитационных пузырей, причем область нуклеации кавитационных пузырей соответствует нуклеации кавитационных пузырей в гидродинамической кавитационной реакции во время стадии формирования.

18. Способ по п. 16, в котором стадия формирования включает формирование кавитационного облака, содержащего кавитационные пузыри в зоне кавитации реактора, причем газ доставляют непосредственно внутрь или в пределах 1 мм от кавитационного облака.

19. Способ по п. 16, в котором стадия формирования включает формирование кавитационного облака, содержащего кавитационные пузыри; при этом углеродный материал сформирован в кавитационном облаке.

20. Способ по п. 16, в котором жидкость не содержит углеродный материал во время стадии доставки жидкости и до формирования кавитационных пузырей.

21. Способ по п. 16, в котором кавитационный реактор включает гидродинамический кавитационный реактор, имеющий зону предкавитаци и зону отверстия, при этом зона отверстия находится между зоной предкавитации и зоной кавитации; зона отверстия включает по меньшей мере одно отверстие, при этом жидкость течет из зоны предкавитации в зону кавитации по меньшей мере через одно отверстие; причем каждое из по меньшей мере одного отверстия характеризуется диаметром отверстия, который меньше, чем диаметр зоны предкавитации.

22. Способ по п. 21, в котором газ доставляют непосредственно к кавитационному концу по меньшей мере одного отверстия или в пределах 1 мм от конца по меньшей мере одного отверстия; причем кавитационный конец по меньшей мере одного отверстия является концом по меньшей мере одного отверстия, ближайшего к зоне кавитации кавитационного реактора.

23. Способ по п. 1, в котором газообразное органическое соединение выбрано из группы, состоящей из алкана, алкена, алкина, циклоалкана, гетероциклоалкана, арена, гетероарена и их комбинации, причем алкан, алкен, алкин, циклоалкан, гетероциклоалкан, арен или гетероарен может быть необязательно замещен одним или несколькими заместителями.

24. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере одно газообразное органическое соединение выбрано из группы, состоящей из метана, ацетилена, этилена, пропана, 1,3-бутадиена, бутана и любой их комбинации.

25. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере одно жидкое органическое соединение выбрано из группы, состоящей из мономера, олигомера, форполимера, полимера, органического растворителя и любой их комбинации.

26. Способ по любому из пп. 1-13, в котором по меньшей мере одно жидкое органическое соединение выбрано из группы, состоящей из метанола, этанола, изопропилового спирта, метилпирролидона, д-циклопентадиена, гексана, бензола, толуола, гептана, ксилола, диметилсульфоксида, минерального масла, машинного масла, , базового масла, гидрогенизированного касторового масла, трансмиссионного масла, редукторного масла, растительного масла, углеводородной основы бурового раствора, масла с присадками, масла без присадок, керосина, дизельного топлива, этиленгликоля, пропиленгликоля, диэтиленгликоля, триэтиламина, триметиламина, пентана, циклопентана, циклогексана, 1,4-диоксана, хлороформа, диэтилового эфира, дихлорметана, тетрагидрофурана, этилацетата, ацетона, диметилформамида, ацетонитрила, нитрометана, карбоната пропилена, муравьиной кислоты, бутанола, пропанола, уксусной кислоты, октадецена, олеиновой кислоты, олеиламина, октана, диэтиленгликолевого эфира, 1,2-дихлорбензола, метилацетата, тетрахлорэтилена, дифенилтиомочевины, гексафтор-2-пропанола, коричной кислоты, триметиламина, бензолтиола, этантиола, этандитиола, 4-аминобензолтиола, акриловой кислоты, сероуглерода, 1,2-дихлорбензола, N-метил-2-пирролидона и любой их комбинации.

27. Способ по п. 1, в котором жидкость включает воду.

28. Способ по п. 1, в котором углеродный материал включает графен или графеноподобный материал.

29. Способ по п. 1, в котором углеродный материал включает нанокомпозит графенового полимера.

30. Способ по п. 1, в котором углеродный материал характеризуется содержанием кислорода 7 ат.% или меньше.

31. Дисперсия для получения твердого углеродного материала, полученная способом по п. 1, характеризующаяся коэффициентом трения, уменьшенным на по меньшей мере 5% относительно той же жидкости без твердого углеродного материала.

32. Применение твердого углеродного материала, полученного способом по п. 1, в качестве части анода батареи, катода батареи, токопроводящего материала, теплопроводящего материала, смазочной жидкости или теплопроводящей жидкости.

33. Применение дисперсии, полученной способом по п. 1, для получения части анода батареи, катода батареи, токопроводящего материала, теплопроводящего материала, смазочной жидкости или теплопроводящей жидкости.

34. Способ по п. 1, дополнительно включающий функционализацию твердого углеродного материала для получения функционализированного твердого углеродного материала.

35. Способ по п. 1, в котором дисперсия является первой дисперсией, химическая реакция является первой химической реакцией, твердый углеродный материал является материалом предшественником, газ является первым газом и реактор является первым реактором; при этом способ дополнительно включает:

доставку первой дисперсии во второй реактор;

доставку второго газа, содержащего по меньшей мере одно газообразное органическое соединение, непосредственно в зону реакции второго реактора; и

индуцирование второй химической реакции в зоне реакции второго реактора; причем:

вторая химическая реакция превращает материал-предшественник во второй твердый углеродный материал;

второй углеродный материал диспергирован в жидкости; и

материал-предшественник и второй углеродный материал отличаются.

36. Способ по п. 35, в котором второй реактор является кавитационным реактором и стадия индуцирования включает формирование кавитационных пузырей в первой дисперсии в зоне реакции второго реактора.

37. Способ по п. 35, в котором первый реактор и второй реактор являются одинаковыми.